DE102022127527A1

DE102022127527A1 - Rc-igbt und herstellungsverfahren für einen rc-igbt

Info

Publication number: DE102022127527A1
Application number: DE102022127527.2A
Authority: DE
Inventors: Matteo Dainese; Ahmed ElSayed; Aleksander HINZ; Christian Philipp Sandow
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Vorgeschlagen wird ein rückwärts leitender Bipolartransistor mit isoliertem Gate, RC-IGBT (100). Der RC-IGBT (100) weist einen aktiven Bereich (102) in einem Halbleiterkörper auf. Der aktive Bereich (102) weist einen IGBT-Bereich (1021), einen Diodenbereich (1022) und einen Übergangsbereich (1023) auf, der dem Diodenbereich (1022) lateral benachbart ist. Ferner enthält der aktive Bereich (102) eine Vielzahl von Gräben (106), die sich von einer ersten Oberfläche (108) des Halbleiterkörpers (104) aus in den Halbleiterkörper (104) erstrecken. Die erste Oberfläche (108) ist einer zweiten Oberfläche (109) des Halbleiterkörpers (104) entgegengesetzt. Der aktive Bereich (102) enthält ferner ein Driftgebiet (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei das Driftgebiet (110) lebensdauerbegrenzende Störstellen (112) im Übergangsbereich (1023) enthält. Der aktive Bereich (102) enthält ferner ein Barrieren-Gebiet (114) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet (110) und der ersten Oberfläche (104). Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet (114) ist zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet (110). Das Barrieren-Gebiet (114) erstreckt sich lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs (1023) und endet lateral in oder vor dem Diodenbereich (1022). Ferner enthält der RC-IGBT (100) einen Randabschlussbereich (1024), der den aktiven Bereich (102) zumindest teilweise umgibt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen rückwärts leitenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate, RC-IGBT, insbesondere auf einen RC-IGBT mit einem Übergangsbereich, der zwischen einem Diodenbereich und einem Randabschlussbereich des RC-IGBT angeordnet ist.
HINTERGRUND
Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in kraftfahrzeugtechnischen, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umwandeln elektrischer Energie und Ansteuern bzw. Antreiben eines Elektromotors oder einer Elektromaschine, sind auf Leistungs-Halbleiterschalter angewiesen. Beispielsweise werden Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Dioden, um nur einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet, einschließlich, nicht aber darauf beschränkt, Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern. Eine Leistungs-Halbleitervorrichtung umfasst typischerweise einen Halbleiterkörper, der dafür konfiguriert ist, einen Vorwärtslaststrom entlang einem Laststrompfad zwischen zwei Lastanschlüssen der Vorrichtung zu leiten. Im Fall einer steuerbaren Leistungs-Halbleitervorrichtung, z. B. eines Transistors, kann ferner der Laststrompfad mittels einer isolierten Elektrode, auf die allgemein als Gate-Elektrode verwiesen wird, gesteuert werden. Bei Empfang eines entsprechenden Steuerungssignals von z. B. einer Treibereinheit versetzt beispielsweise die Steuerungselektrode die Leistungs-Halbleitervorrichtung in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand. In einigen Fällen kann die Gate-Elektrode innerhalb eines Grabens des Leistungs-Halbleiterschalters enthalten sein, wobei der Graben z. B. eine Streifenkonfiguration oder eine Nadelkonfiguration aufweisen kann.
Einige Leistungs-Halbleitervorrichtungen unterstützen ferner eine umgekehrte bzw. Rückwärtsleitfähigkeit. Während eines rückwärts leitenden Zustands leitet die Leistungs-Halbleitervorrichtung einen umgekehrten bzw. Rückwärtslaststrom. Solche Vorrichtungen sind so ausgelegt, dass die Vorwärtslaststromfähigkeit (hinsichtlich der Größe) im Wesentlichen die gleiche wie die Rückwärtslaststromfähigkeit ist.
Eine typische Vorrichtung, die sowohl eine Vorwärtsals auch Rückwärtslaststromfähigkeit unterstützt, ist der rückwärts leitende IGBT, RC-IGBT, dessen allgemeine Konfiguration dem Fachmann bekannt ist. Für einen RC-IGBT ist typischerweise der vorwärts leitende Zustand steuerbar, indem den Gate-Elektroden ein entsprechendes Signal bereitgestellt wird, und ist der rückwärts leitende Zustand typischerweise nicht steuerbar; aber der RC-IGBT nimmt den rückwärts leitenden Zustand an, falls aufgrund einer entsprechenden Diodenstruktur im RC-IGBT eine Sperrspannung an den Lastanschlüssen vorhanden ist bzw. anliegt.
Es ist wünschenswert, einen RC-IGBT mit einem hohen Grad an Steuerbarkeit und Robustheit zusätzlich zu einem hohen Wirkungsgrad in Bezug auf die Verlustleistung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen rückwärts leitenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate, RC-IGBT. Der RC-IGBT weist einen aktiven Bereich in einem Halbleiterkörper auf. Der aktive Bereich weist einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich auf, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist. Ferner weist der aktive Bereich eine Vielzahl von Gräben auf, die sich von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus in den Halbleiterkörper erstrecken. Die erste Oberfläche ist einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers entgegengesetzt. Der aktive Bereich umfasst ferner ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei das Driftgebiet lebensdauerbegrenzende Störstellen im Übergangsbereich enthält. Der aktive Bereich umfasst ferner ein Barrieren-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet und der ersten Oberfläche. Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet ist zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet. Das Barrieren-Gebiet erstreckt sich lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs und endet lateral in oder vor dem Diodenbereich. Der RC-IGBT enthält ferner einen Randabschlussbereich, der den aktiven Bereich zumindest teilweise umgibt.
Ein weiteres Beispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines rückwärts leitenden Bipolartransistors mit isoliertem Gate, RC-IGBT. Das Verfahren weist das Ausbilden eines aktiven Bereichs in einem Halbleiterkörper auf. Der aktive Bereich weist einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich auf, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist. Eine Vielzahl von Gräben erstreckt sich von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus in den Halbleiterkörper. Die erste Oberfläche ist einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers entgegengesetzt. Der aktive Bereich umfasst ferner ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps. Das Driftgebiet enthält lebensdauerbegrenzende Störstellen im Übergangsbereich. Der aktive Bereich enthält ferner ein Barrieren-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet und der ersten Oberfläche. Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet ist zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet. Das Barrieren-Gebiet erstreckt sich lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs und endet lateral in oder vor dem Diodenbereich. Ferner umfasst das Verfahren das Ausbilden eines Randabschlussbereichs, der zumindest teilweise den aktiven Bereich umgibt.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und beim Betrachten der beiliegenden Zeichnungen erkennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen sind einbezogen, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu liefern, und sind in diese Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen Beispiele von RC-IGBTs und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der Beispiele zu erläutern. Weitere Beispiele sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, um ein Beispiel eines RC-IGBT zu veranschaulichen, der einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich enthält, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist.
2 veranschaulicht beispielhafte Graben-Strukturen in sowohl dem IGBT-Bereich, dem Diodenbereich als auch dem Übergangsbereich eines RC-IGBT.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, um ein weiteres Beispiel eines RC-IGBT zu veranschaulichen, der einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich enthält, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist.
4 ist eine schematische Draufsicht, um einen beispielhaften Entwurf eines Kollektor-Gebiets im IGBT-Bereich zu veranschaulichen.
5 und 6 sind schematische Querschnittsansichten, um weitere Beispiele eines RC-IGBT zu veranschaulichen, der einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich enthält, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist.
7A und 7B sind schematische Draufsichten, um beispielhafte Entwürfe eines Kollektor-Gebiets im IGBT-Bereich zu veranschaulichen.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht, um ein weiteres Beispiel eines RC-IGBT zu veranschaulichen, der einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich enthält, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Beispiele gezeigt sind, in denen Halbleitersubstrate bearbeitet bzw. prozessiert werden können. Es ist zu verstehen, dass andere Beispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Beispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, im Zusammenhang mit anderen Beispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Beispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Varianten umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche einschränkend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Entsprechende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnet, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen sind offene Begriffe, und die Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ kann eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder ein hochdotiertes Halbleitermaterial, beschreiben. Der Begriff „elektrisch gekoppelt“ kann umfassen, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signal- und/oder Leistungsübertragung angepasst bzw. geeignet sind, zwischen die elektrisch gekoppelten Elemente geschaltet sein können, beispielsweise Elemente, die gesteuert werden können, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen. Ein ohmscher Kontakt kann ein nicht gleichrichtender elektrischer Übergang sein.
Für physikalische Abmessungen angegebene Bereiche schließen die Randwerte ein. Beispielsweise liest sich ein Bereich für einen Parameter y von a bis b als a ≤ y ≤ b. Das Gleiche gilt für Bereiche mit einem Randwert wie „höchstens“ und „zumindest“.
Die Begriffe „auf“ und „über“ sind nicht dahingehend aufzufassen, dass sie nur „direkt auf“ und „direkt über“ bedeuten. Vielmehr kann, falls ein Element „auf“ oder „über“ einem anderen Element positioniert ist (z. B. eine Schicht „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder „auf“ oder „über“ einem Substrat ist), eine weitere Komponente (z. B. eine weitere Schicht) zwischen den zwei Elementen positioniert sein (z. B. kann eine weitere Schicht zwischen einer Schicht und einem Substrat, falls die Schicht „auf“ oder „über“ dem Substrat ist, positioniert sein).
Ein Beispiel eines rückwärts leitenden Bipolartransistors mit isoliertem Gate, RC-IGBT, weist einen aktiven Bereich in einem Halbleiterkörper auf. Der aktive Bereich kann einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich aufweisen, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist. Ferner kann der aktive Bereich eine Vielzahl von Gräben enthalten, die sich von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus in den Halbleiterkörper erstrecken. Die erste Oberfläche ist einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers entgegengesetzt. Der aktive Bereich kann ferner ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps enthalten. Das Driftgebiet kann lebensdauerbegrenzende Störstellen im Übergangsbereich enthalten. Überdies kann der aktive Bereich ein Barrieren-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet und der ersten Oberfläche enthalten. Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet kann zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet sein. Das Barrieren-Gebiet kann sich lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs erstrecken und kann in oder vor dem Diodenbereich lateral enden. Der RC-IGBT enthält ferner einen Randabschlussbereich, der den aktiven Bereich zumindest teilweise umgeben kann.
Der RC-IGBT kann beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein oder kann eine separate Halbleitervorrichtung oder ein Halbleitermodul sein. Der RC-IGBT kann eine Leistungs-Halbleitervorrichtung, z. B. eine vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung mit einem Laststromfluss zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche, sein oder eine solche enthalten. Der RC-IGBT kann ein Leistungs-Halbleiter-RC-IGBT sein oder einen solchen enthalten. Der Leistungs-RC-IGBT kann dafür konfiguriert sein, Ströme von mehr als 1 A oder mehr als 10 A oder gar mehr als 30 A zu leiten, und kann ferner dafür konfiguriert sein, Spannungen zwischen Lastanschlüssen, z. B. zwischen Emitter und Kollektor, im Bereich von einigen hundert bis zu einigen tausend Volt, z. B. 400 V, 650 V, 1,2 kV, 1,7 kV, 3,3 kV, 4,5 kV, 5,5 kV, 6 kV, 6,5 kV, zu sperren. Die Sperrspannung kann beispielsweise einer in einem Datenblatt der Leistungs-Halbleitervorrichtung spezifizierten Spannungsklasse entsprechen.
Der Halbleiterkörper kann ein Halbleitermaterial aus elementaren Halbleitern der Gruppe IV, ein IV-IV-Verbindungshalbleitermaterial, ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial oder ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterial enthalten oder daraus bestehen. Beispiele der Halbleitermaterialien aus den elementaren Halbleitern der Gruppe IV umfassen unter anderem Silizium (Si) und Germanium (Ge). Beispiele der IV-IV-Verbindungshalbleiter umfassen unter anderem Siliziumcarbid (SiC) und Siliziumgermanium (SiGe). Beispiele der III-V-Verbindungshalbleitermaterialien umfassen unter anderem Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) und Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Beispiele der II-VI-Verbindungshalbleiter umfassen unter anderem Cadmium-Tellurid (CdTe), Quecksilber-Cadmium-Tellurid (CdHgTe) und Cadmium-Magnesium-Tellurid (CdMgTe). Der Halbleiterkörper kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat (das keine, eine oder noch mehr Halbleiterschichten wie etwa epitaktische Halbleiterschichten auf dem Halbleitersubstrat aufweist) sein oder kann ein solches enthalten. Das Halbleitersubstrat kann ein Czochralski-(CZ-), z. B. ein magnetisches Czochralski-, MCZ-, oder ein Zonenschmelz- bzw. Float-Zone-(FZ-) oder ein epitaktisch abgeschiedenes Silizium-Halbleitersubstrat sein.
Die erste Oberfläche kann beispielsweise eine vorderseitige Oberfläche oder eine obere Oberfläche des RC-IGBT sein, und die zweite Oberfläche kann eine hintere Oberfläche oder eine rückseitige Oberfläche des RC-IGBT sein. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise über die zweite Hauptoberfläche an einem Leiterrahmen angebracht sein. Über der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats können Bond-Pads angeordnet sein und können Bond-Drähte auf den Bond-Pads gebondet sein.
Um eine gewünschte Strombelastbarkeit zu realisieren, kann der RC-IGBT mittels einer Vielzahl parallelgeschalteter IGBT- und/oder Diodenzellen ausgestaltet sein. Die parallelgeschalteten IGBT- und/oder Diodenzellen können beispielsweise IGBT- und/oder Diodenzellen sein, die in der Form eines Streifens oder eines Streifensegments ausgebildet sind. Die IGBT- und/oder Diodenzellen können auch jede beliebige andere, z. B. eine kreisförmige, eine elliptische, eine polygonale wie etwa eine hexagonale oder oktaedrische, Form aufweisen. Beispielsweise können die IGBT-Zellen im IGBT-Bereich angeordnet sein und können die Diodenzellen im Diodenbereich angeordnet sein. Die IGBT- und/oder Diodenzellen können im aktiven Bereich des RC-IGBT angeordnet sein. Der aktive Bereich kann durch einen Bereich des Halbleiterkörpers definiert sein, wo ein Emitter-Gebiet der IGBT-Zellen an der ersten Oberfläche und ein Kollektor-Gebiet der IGBT-Zellen entlang der vertikalen Richtung einander entgegengesetzt angeordnet sind. Der aktive Bereich kann auch einen Bereich des Halbleiterkörpers einschließen, wo ein Anoden-Gebiet der Diodenzellen an der ersten Oberfläche und ein Kathoden-Gebiet der Diodenzellen entlang der vertikalen Richtung einander entgegengesetzt angeordnet sind. Im aktiven Bereich kann ein Laststrom z. B. über Kontaktstöpsel auf der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper des RC-IGBT eintreten oder aus ihm austreten. Beispielsweise kann der aktive Bereich durch einen Bereich definiert sein, wo Kontaktstöpsel über der ersten Oberfläche platziert sind, um eine Elektrode auf der ersten Oberfläche mit beliebigen Halbleiterschichten in dem IGBT-Bereich oder dem Diodenbereich oder dem Übergangsbereich elektrisch zu verbinden.
Der Übergangsbereich kann sich vom IGBT-Bereich durch zumindest ein strukturelles Merkmal im Halbleiterkörper unterscheiden. Beispielsweise kann ein Emitter- oder Source-Gebiet im IGBT-Bereich vorhanden sein, aber zumindest in einem Teil des Übergangsbereichs fehlen. Zusätzlich oder als Alternative dazu kann sich beispielsweise ein Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Gräben im Übergangsbereich von einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Gräben im IGBT-Bereich unterscheiden. Zusätzlich oder als Alternative dazu können lebensdauerbegrenzende Störstellen im Übergangsbereich vorhanden sein, aber in zumindest einem Teil des IGBT-Bereichs fehlen. Der Übergangsbereich kann sich auch durch zumindest ein strukturelles Merkmal im Halbleiterkörper vom Diodenbereich unterscheiden. Beispielsweise kann das Barrieren-Gebiet im Übergangsbereich vorhanden sein, aber in zumindest einem Teil des Diodenbereichs fehlen. Zusätzlich oder als Alternative dazu kann sich beispielsweise ein Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Gräben im Übergangsbereich von einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Gräben im Diodenbereich unterscheiden.
Der Randabschlussbereich kann eine Abschlussstruktur enthalten. In einem Sperrmodus oder in einem in Sperrrichtung vorgespannten Modus des RC-IGBT fällt die Sperrspannung zwischen dem Transistorzellenbereich und einem feldfreien Gebiet über die Abschlussstruktur im Randabschlussbereich lateral ab. Die Abschlussstruktur kann ein höheres oder ein geringfügig niedrigeres Spannungssperrvermögen als der Transistorzellenbereich aufweisen. Die Abschlussstruktur kann beispielsweise eine Junction- bzw. Übergangsabschlussausdehnung (JTE) mit oder ohne Variation einer lateralen Dotierung (VLD), einen oder mehrere lateral getrennte Schutzringe oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Die Sperrspannung des RC-IGBT kann entlang einer vertikalen Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche eingestellt werden, indem Parameter des Driftgebiets, z. B. eine vertikale Erstreckung und/oder ein Dotierungsprofil, eingestellt werden. Das Driftgebiet kann beispielsweise in das Barrieren-Gebiet übergehen. Eine Störstellen- oder Dotierungskonzentration im Driftgebiet kann mit zunehmendem Abstand zur ersten Oberfläche zumindest in Bereichen bzw. Abschnitten seiner vertikalen Ausdehnung allmählich oder in Schritten zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Beispielen kann die Störstellenkonzentration im Driftgebiet in vertikaler Richtung annähernd gleichmäßig bzw. einheitlich sein. Für auf Silizium basierende RC-IGBTs kann eine mittlere Störstellenkonzentration im Driftgebiet zwischen 5 × 10¹² cm^-3 und 1 × 10¹⁵ cm^-3, zum Beispiel in einem Bereich von 1 × 10¹³ cm^-3 bis 2 × 10¹⁴ cm^-3, liegen. Im Fall eines auf SiC basierenden RC-IGBT kann eine mittlere Störstellenkonzentration im Driftgebiet zwischen 5 × 10¹⁴ cm^-3 und 1 × 10¹⁷ cm^-3, zum Beispiel in einem Bereich von 1 × 10¹⁵ cm^-3 bis 2 × 10¹⁶ cm^-3, liegen. Eine vertikale Ausdehnung des Driftgebiets kann von Spannungssperranforderungen, z. B. einer spezifizierten Spannungsklasse, der vertikalen Leistungs-Halbleitervorrichtung abhängen. Wenn die vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung im Spannungssperrmodus betrieben wird, kann sich je nach der an die vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung angelegten Sperrspannung ein Raumladungsgebiet vertikal teilweise oder ganz durch das Driftgebiet erstrecken. Wenn die vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung bei oder nahe der spezifizierten maximalen Sperrspannung betrieben wird, kann das Raumladungsgebiet ein Feldstoppgebiet erreichen oder in dieses eindringen. Das Feldstoppgebiet ist dafür konfiguriert, zu verhindern, dass das Raumladungsgebiet weiter zu der Kathode oder dem Kollektor an der zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers gelangt.
Beispielsweise können einige der oder alle der Vielzahl von Gräben bei der Graben-Struktur gefüllt sein. Die Graben-Struktur kann ein Dielektrikum und eine Elektrode umfassen. Beispielsweise kann das Dielektrikum ein Gate-Dielektrikum im IGBT-Bereich, z. B. ein thermisches und/oder abgeschiedenes Oxid wie etwa SiO₂, sein. Die Elektrode kann beispielsweise eine Gate-Elektrode im IGBT-Bereich sein und kann mit einem Steueranschluss, z. B. einem Gate-Anschluss, des RC-IGBT elektrisch verbunden sein. Der Gate-Anschluss sowie andere Anschlüsse des RC-IGBT, z. B. ein Emitter-Anschluss oder eine Emitter-Elektrode oder ein Anoden-Anschluss oder eine Anoden-Elektrode, können in einem Verdrahtungsbereich über der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet sein, der eine oder mehr als eine, z. B. zwei, drei, vier oder noch mehr, Verdrahtungsebenen enthalten kann. Jede Verdrahtungsebene kann von einer einzigen oder einem Stapel leitfähiger Schichten, z. B. einer Metallschicht(en) und/oder einer hochdotierten Halbleiterschicht(en) (z. B. hochdotierten polykristallinen Schichten) gebildet werden. Beispielsweise können die Verdrahtungsebenen zumindest eines der folgenden Elemente Cu, Au, AlCu, Ag oder Legierungen davon enthalten. Die Verdrahtungsebenen können beispielsweise lithografisch strukturiert sein. Zwischen gestapelten Verdrahtungsebenen kann eine Zwischenschicht-Dielektrikumsstruktur ausgebildet sein. In der Zwischenschicht-Dielektrikumsstruktur können Öffnungen ausgebildet sein, um verschiedene Verdrahtungsebenen elektrisch miteinander zu verbinden. Beispielsweise kann (können) ein Kontaktstöpsel (Kontaktstöpsel) oder ein Kontaktloch (Kontaktlöcher) oder eine Kontaktleitung (Kontaktleitungen) in den Öffnungen im Zwischenschicht-Dielektrikum ausgebildet sein, um Teile, z. B. Metallleitungen oder Kontaktbereiche, verschiedener Verdrahtungsebenen elektrisch miteinander zu verbinden.
Indem man den Übergangsbereich vorsieht, der das Barrieren-Gebiet und die lebensdauerbegrenzenden Störstellen enthält, kann eine Anzahl technischer Vorteile erzielt werden. Da der IGBT-Bereich zum Diodenverhalten beitragen kann, können z. B. IGBT-Zellen nahe dem Diodenbereich als Anode fungieren, kann eine Einführung bzw. Einbringung des Übergangsbereichs einem unerwünschten Diodenverhalten durch den IGBT-Bereich entgegenwirken oder dieses reduzieren, was durch eine räumliche Trennung des Diodenbereichs und des IGBT-Bereichs über den Übergangsbereich bewirkt wird. Außerdem ermöglicht die Lebensdauerbegrenzung im Übergang eine weitere Verstärkung der Entkopplung zwischen dem Diodenbereich und dem IGBT-Bereich. Dies kann zusätzlich zu einem hohen Wirkungsgrad in Bezug auf Leistungsverluste eine Erhöhung des Grads der Steuerbarkeit und der Robustheit ermöglichen.
Beispielsweise können sich die lebensdauerbegrenzenden Störstellen lateral durch zumindest einen überwiegenden Teil des Diodenbereichs erstrecken. Beispielsweise können sich die lebensdauerbegrenzenden Störstellen über mehr als 50% oder mehr als 60% oder mehr als 70% oder gar mehr als 80% des Diodenbereichs lateral erstrecken. Die lebensdauerbegrenzenden Störstellen können sich beispielsweise lateral durch den gesamten Diodenbereich erstrecken.
Die lebensdauerbegrenzenden Störstellen können sich beispielsweise vom Übergangsbereich in den IGBT-Bereich erstrecken. Obgleich eine Einbringung der lebensdauerbegrenzenden Störstellen in den Halbleiterkörper auf den Übergangsbereich und den Diodenbereich, z. B. durch einen maskierten Ionenimplantationsprozess, begrenzt werden kann, kann eine laterale Diffusion bewirken, dass lebensdauerbegrenzende Störstellen in den IGBT-Bereich und/oder den Randabschlussbereich gelangen.
Eine Konzentration der lebensdauerbegrenzenden Störstellen im IGBT-Bereich kann beispielsweise kleiner als im Diodenbereich sein. Beispielsweise kann die Konzentration der lebensdauerbegrenzenden Störstellen im IGBT-Bereich mit zunehmendem Abstand zum Übergangsbereich abnehmen. Dies kann beispielsweise durch einen lateralen Diffusionsprozess der lebensdauerbegrenzenden Störstellen vom Übergangsbereich in den IGBT-Bereich bewirkt werden.
Ein lateraler Abstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben im Diodenbereich kann beispielsweise größer als im IGBT-Bereich sein.
Ein lateraler Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben im Diodenbereich kann beispielsweise gleich einem lateralen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben im Übergangsbereich sein.
Eine laterale Erstreckung des Übergangsbereichs kann beispielsweise in einem Bereich von 10% bis 30% einer Dicke des Halbleiterkörpers zwischen der ersten und zweiten Oberfläche liegen. Die laterale Erstreckung des Übergangsbereichs kann in einem Bereich von 15% bis 20% einer Dicke des Halbleiterkörpers zwischen der ersten und zweiten Oberfläche liegen. Dies kann beispielsweise eine vorteilhafte bzw. günstige Schalteffizienz des RC-IGBT ermöglichen.
Beispielsweise kann der RC-IGBT ferner ein Kathoden-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen, das im Diodenbereich zwischen dem Driftgebiet und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Das Kathoden-Gebiet kann sich lateral in zumindest einen Teil des Übergangsbereichs erstrecken. Da die lebensdauerbegrenzenden Störstellen im Übergangsbereich dabei helfen, den parasitären Effekt des IGBT-Bereichs, der als Anode fungiert und das Plasma über das Driftgebietsvolumen im Diodenbereich hinaus ausdehnt, zu reduzieren, kann das Kathoden-Gebiet beispielsweise in den Übergangsbereich ausgedehnt werden. Beispielsweise kann sich das Kathoden-Gebiet sogar lateral in den gesamten Übergangsbereich erstrecken.
Der RC-IGBT kann beispielsweise ferner ein Kollektor-Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, das im IGBT-Bereich zwischen dem Driftgebiet und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Das Kollektor-Gebiet kann eine Anordnung erster und zweiter Teilgebiete aufweisen, die sich entlang einer lateralen Richtung abwechseln. Das erste Teilgebiet kann eine größere maximale Dotierungskonzentration als das zweite Teilgebiet aufweisen. Die maximale Dotierungskonzentration im ersten Teilgebiet kann beispielsweise um einen Faktor 10 oder einen Faktor 100 oder gar einen Faktor 1000 größer als die maximale Dotierungskonzentration im zweiten Teilgebiet sein. Eine minimale laterale Ausdehnung des ersten Teilgebiets kann in Bezug auf die ersten Teilgebiete konstant sein oder kann in Bezug auf einige der ersten Teilgebiete oder alle variieren. Desgleichen kann eine minimale laterale Ausdehnung des zweiten Teilgebiets in Bezug auf die zweiten Teilgebiete konstant sein oder kann in Bezug auf einige der zweiten Teilgebiete oder alle variieren.
Das Kollektor-Gebiet kann beispielsweise ferner ein drittes Teilgebiet im IGBT-Bereich enthalten, das durch den Übergangsbereich und die Anordnung sich abwechselnder erster und zweiter Teilgebiete lateral begrenzt ist. Das dritte Teilgebiet kann eine kleinere maximale Dotierungskonzentration als das erste Teilgebiet aufweisen. Eine minimale laterale Ausdehnung, z. B. Breite, des dritten Teilgebiets kann beispielsweise kleiner als die minimale laterale Ausdehnung, z. B. Breite, des zweiten Teilgebiets oder gleich dieser sein.
Beispielsweise kann jedes der ersten und zweiten Teilgebiete i) entlang einer ersten lateralen Richtung in einem ersten Teil des IGBT-Bereichs streifenförmig sein und ii) entlang einer zweiten lateralen Richtung in einem zweiten Teil des IGBT-Bereichs streifenförmig sein. Die streifenförmigen Teilgebiete können beispielsweise senkrecht zum Diodengebiet liegen. Mit anderen Worten können die streifenförmigen Teilgebiete senkrecht zu einer Übergangslinie oder einem Umfang zwischen dem Diodenbereich und dem Übergangsbereich liegen. Die erste laterale Richtung kann beispielsweise senkrecht zur zweiten lateralen Richtung sein.
Der Übergangsbereich kann beispielsweise durch den Diodenbereich und den Randabschlussbereich lateral begrenzt sein.
Der RC-IGBT kann beispielsweise ferner ein dotiertes Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps im Übergangsbereich aufweisen, der zwischen dem Driftgebiet und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Das dotierte Gebiet kann an einer ersten Position lateral an einen Teil des Diodengebiets grenzen, das sich in den Übergangsbereich erstreckt.
Ein lateraler Abstand zwischen der ersten Position und dem Randabschlussbereich kann beispielsweise in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm liegen.
Das dotierte Gebiet kann sich beispielsweise lateral in den Randabschlussbereich erstrecken.
Der Randabschlussbereich kann beispielsweise ferner ein dotiertes Wannengebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps enthalten, das an die erste Oberfläche grenzt. Die Tiefe des dotierten Wannengebiets kann größer sein als eine Tiefe der Vielzahl von Gräben. Die Tiefe des dotierten Wannengebiets kann auch größer als eine Tiefe des Barrieren-Gebiets sein.
Beispielsweise kann ein lateraler Abstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben im Übergangsbereich in Richtung des Randabschlussbereichs abnehmen.
Details in Bezug auf Struktur oder Funktion oder technischen Vorteil von Merkmalen, die oben in Bezug auf einen RC-IGBT beschrieben wurden, gelten gleichermaßen für die hierin beschriebenen beispielhaften Verfahren. Eine Prozessierung des Halbleiterkörpers kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale entsprechend einem oder mehreren Aspekten aufweisen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren, oben oder unten beschriebenen Beispielen erwähnt wurden.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines rückwärts leitenden Bipolartransistors mit isoliertem Gate, RC-IGBT, kann das Ausbilden eines aktiven Bereichs in einem Halbleiterkörper aufweisen. Der aktive Bereich kann einen IGBT-Bereich, einen Diodenbereich und einen Übergangsbereich enthalten, der dem Diodenbereich lateral benachbart ist. Ferner kann der aktive Bereich eine Vielzahl von Gräben enthalten, die sich von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus in den Halbleiterkörper erstrecken. Die erste Oberfläche ist einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers entgegengesetzt. Der aktive Bereich enthält ferner ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps. Das Driftgebiet kann lebensdauerbegrenzende Störstellen im Übergangsbereich enthalten. Der aktive Bereich kann weiter ein Barrieren-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet und der ersten Oberfläche enthalten. Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet kann zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet sein. Das Barrieren-Gebiet kann sich lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs erstrecken und kann lateral in oder vor dem Diodenbereich enden. Ferner kann das Verfahren das Ausbilden eines Randabschlussbereichs einschließen, der den aktiven Bereich zumindest teilweise umgibt.
Die oben und unten beschriebenen Beispiele und Merkmale können kombiniert werden.
Funktionale und strukturelle Details, die in Bezug auf die obigen Beispiele beschrieben wurden, sollen gleichermaßen für die exemplarischen Beispiele gelten, die in den Figuren veranschaulicht und weiter unten beschrieben sind.
Mehr Details und Aspekte werden in Verbindung mit den oben oder unten beschriebenen Beispielen angeführt. Die Beschreibung und die Zeichnungen veranschaulichen nur die Prinzipien der Offenbarung. Darüber hinaus sollen grundsätzlich alle hierin angeführten Beispiele ausdrücklich nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht sein, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte zu helfen, die von dem (den) Erfinder(n) beigetragen wurden, um die Technik weiterzuentwickeln. Alle hierin Prinzipien, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie deren spezifische Beispiele anführenden Aussagen sollen deren Äquivalente bzw. Entsprechungen umfassen.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen, Prozesse, Operationen, Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart werden, nicht dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie innerhalb der spezifischen Reihenfolge vorliegen; es sei denn, es wird ausdrücklich oder implizit etwas anderes, z. B. durch Ausdrücke wie „danach“, beispielsweise aus technischen Gründen angegeben. Die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen schränkt diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge ein; es sei denn, solche Handlungen oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann in einigen Beispielen eine einzelne Handlung, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess, eine einzelne Operation oder ein einzelner Schritt jeweils mehrere Teilhandlungen, Teilfunktionen, Teilprozesse, Teiloperationen oder Teilschritte aufweisen oder in solche unterteilt werden. Solche Teilhandlungen können einbezogen werden und Teil der Offenbarung dieser einzelnen Handlung sein, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
1 veranschaulicht schematisch und beispielhaft ein Beispiel eines aktiven Bereichs 102 eines RC-IGBT 100.
Der aktive Bereich 102 umfasst einen IGBT-Bereich 1021, einen Diodenbereich 1022 und einen Übergangsbereich 1023. Der Übergangsbereich ist dem Diodenbereich 1022 lateral benachbart angeordnet. Eine Vielzahl von Gräben 106 erstreckt sich von einer ersten Oberfläche 108 des Halbleiterkörpers 104 aus in den Halbleiterkörper 104. Die erste Oberfläche 108 ist einer zweiten Oberfläche 109 des Halbleiterkörpers 104 entgegengesetzt.
Der aktive Bereich 102 enthält ferner ein n-dotiertes Driftgebiet 110. Das Driftgebiet 110 enthält lebensdauerbegrenzende Störstellen 112 im Übergangsbereich 1023. Die lebensdauerbegrenzenden Störstellen können als Rekombinationszentren fungieren. Beispielsweise kann es sich bei den lebensdauerbegrenzenden Störstellen um Metallstörstellen, z. B. Pt, oder irgendein anderes Element oder einen anderen Komplex handeln, das oder der dafür konfiguriert ist, die Lebensdauer von Ladungsträgern in der Driftzone, z. B. Minoritätsladungsträgern, zu reduzieren. Die lebensdauerbegrenzenden Störstellen erstrecken sich lateral durch zumindest einen überwiegenden Teil des Diodenbereichs. Beispielsweise diffundieren die lebensdauerbegrenzenden Störstellen bis zumindest 1/3 der Dicke des Driftgebiets 110, bis über die Dicke der Vorrichtung hinaus (die Diffusion kann ausgeführt werden, bevor der Halbleiterkörper, z. B. der Wafer, auf eine Zieldicke abgedünnt wird). Der aktive Bereich enthält ferner ein p-dotiertes Gebiet 115. Das p-dotierte Gebiet 115 ist in sowohl dem IGBT-Bereich 1021, dem Diodenbereich 1022 als auch dem Übergangsbereich 1023 angeordnet. Das p-dotierte Gebiet 115 kann beispielsweise als Body-Gebiet im IGBT-Bereich 1021 fungieren und kann gleichfalls als Anoden-Gebiet im Diodenbereich 1022 fungieren.
Der aktive Bereich 102 enthält ferner ein n-dotiertes Barrieren-Gebiet 114 zwischen dem p-dotierten Gebiet 115 und dem Driftgebiet 110. Eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet 114 ist zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet 110. Das Barrieren-Gebiet 114 erstreckt sich lateral durch den Übergangsbereich 1023 und endet lateral an einem Übergang zum Diodenbereich 1022.
Eine laterale Erstreckung lm des Übergangsbereichs 1023 liegt in einem Bereich von 10% bis 30% einer Dicke d des Halbleiterkörpers 104 zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 108, 109.
Der RC-IGBT 100 enthält ferner eine Vielzahl von Gräben 106, die sich von der ersten Oberfläche 108 aus in den Halbleiterkörper 104 erstrecken.
Bezugnehmend nun auf 2 werden beispielhafte Details in Bezug auf die Vielzahl von Gräben 106 beschrieben, die für jedes der hierin veranschaulichten und/oder beschriebenen Beispiele gelten können. Die Vielzahl von Gräben 106 kann Graben-Untertypen 1061, 1062, 1063 umfassen, die in sowohl dem IGBT-Bereich 1021, dem Diodenbereich 1022 als auch dem Übergangsbereich 1023 angeordnet sind, wobei sich jeder Graben 1061, 1062, 1063 von der ersten Oberfläche 108 aus entlang einer vertikalen Richtung y in den Halbleiterkörper 104 erstreckt und eine jeweilige Graben-Elektrode 1071, 1072, 1073 aufweist, die durch einen jeweiligen Graben-Isolator 1076, 1077, 1078 vom Halbleiterkörper 104 isoliert ist, wobei zwei benachbarte Gräben einen jeweiligen Mesabereich im Halbleiterkörper 104 definieren.
Jeder Graben 1061, 1062, 1063 kann eine Streifenkonfiguration aufweisen, was bedeutet, dass die jeweilige Grabenlänge (z. B. entlang einer longitudinalen Richtung der Gräben) viel größer ist als die jeweilige Grabenbreite (z. B. entlang einer ersten lateralen Richtung x1).
Der Graben-Untertyp 1061 kann ein Steuerungsgraben sein, dessen Graben-Elektrode 1071 mit einem Steueranschluss elektrisch verbunden ist und daher als Steuerelektrode bezeichnet wird. Der zweite Untertyp 1062 kann ein Source- oder Emitter-Graben sein, dessen Graben-Elektrode 1072 mit einem ersten Lastanschluss, z. B. einem Source- oder Emitter-Anschluss, elektrisch verbunden ist und daher als Source- oder Emitter-Elektrode bezeichnet wird. Der dritte Graben-Untertyp 1063 kann ein weiterer Graben sein, dessen Graben-Elektrode 1073 weder mit dem ersten Lastanschluss noch mit dem Steueranschluss elektrisch verbunden ist. Beispielsweise ist der dritte Graben-Untertyp 1063 ein schwebender bzw. potentialfreier Graben und ist die Graben-Elektrode 1073 mit keinem definierten elektrischen Potential verbunden, sondern elektrisch schwebend bzw. potentialfrei. In einem anderen Beispiel ist der dritte Graben-Untertyp 1063 ein Dummy-Graben und ist die Graben-Elektrode 1073 mit dem Steueranschluss elektrisch verbunden, steuert aber eine Leitung des Vorwärtslaststroms nicht direkt, da kein elektrisch verbundenes Source- oder Emitter-Gebiet (das mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist) dem dritten Graben-Untertyp 1063 benachbart angeordnet ist. In noch einem weiteren Beispiel ist die Graben-Elektrode 1073 mit einem elektrischen Potential verbunden, das vom elektrischen Potential des Steueranschlusses verschieden ist und vom elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses verschieden ist.
Jeder Grabentyp kann in Bezug auf Breite (entlang der ersten lateralen Richtung x1) und Tiefe (entlang der vertikalen Richtung y, z. B. ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 108 hinab bis zum Grabenboden) und/oder Länge (entlang der longitudinalen Richtung) gleiche Abmessungen aufweisen.
Der IGBT-Bereich 1021 kann eine Vielzahl von IGBT-Zellen aufweisen, wobei jede IGBT-Zelle eine bestimmte Graben-Struktur aufweist, d. h. eine laterale Abfolge von Gräben bestimmter Untertypen, z. B. einen oder mehrere Steuergräben, null oder mehr Source- oder Emitter-Gräben und null oder mehr andere Gräben. Analog kann der Diodenbereich 1022 eine Vielzahl von Diodenzellen aufweisen, wobei jede Diodenzelle eine bestimmte Graben-Struktur aufweist, d. h. eine laterale Abfolge von Gräben bestimmter Typen, z. B. einen oder mehrere Source- oder Emitter-Gräben, null oder mehrere andere Gräben und null oder mehrere andere Steuergräben.
Wie oben angegeben ist, sind die Graben-Untertypen 1061, 1062, 1063 mit sowohl dem Diodenbereich 1022, dem IGBT-Bereich 1021 als auch dem Übergangsbereich 1023 angeordnet. In einem Beispiel sind die Graben-Untertypen 1061, 1062, 1063 in sowohl dem IGBT-Bereich 1021, dem Diodenbereich 1022 als auch dem Übergangsbereich 1023 lateral nebeneinander entsprechend dem gleichen lateralen Graben-Abstand von Mitte zu Mitte angeordnet; d. h. der laterale Graben-Abstand von Mitte zu Mitte (das heißt der Abstand zwischen zwei benachbarten Grabenmitten) ändert sich nicht zwischen den Bereichen 1021, 1022, 1023. Beispielsweise kann der laterale Graben-Abstand von Mitte zu Mitte einen lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Gräben von nicht mehr als 1/30 der Dicke d des Halbleiterkörpers definieren. Mit anderen Worten können die lateralen Breiten der Mesabereiche in sowohl dem Diodenbereich 1022, dem IGBT-Bereich 1021 als auch dem Übergangsbereich 1023 miteinander identisch Sein.
Auch können die Graben-Untertypen 1061, 1062 jeweils die gleiche Grabentiefe (gesamte vertikale Ausdehnung) aufweisen. Der laterale Graben-Abstand von Mitte zu Mitte kann beispielsweise einen lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Gräben von nicht mehr als 50% oder nicht mehr als 30% der Grabentiefe definieren.
In einem Beispiel kann der laterale Graben-Abstand von Mitte zu Mitte einen lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Gräben von nicht mehr als 10 um oder nicht mehr als 5 um oder nicht mehr als 1 µm definieren. Benachbarte Gräben sind daher beispielsweise um nicht mehr als 1 µm lateral gegeneinander versetzt.
Die Breite jedes Mesabereichs liegt hier innerhalb des durch den lateralen Graben-Abstand von Mitte zu Mitte definierten Bereichs.
Die schematische Querschnittsansicht von 3 veranschaulicht eine detailliertere Ansicht eines Beispiels eines RC-IGBT 100.
Wie in 3 veranschaulicht ist, erstrecken sich die lebensdauerbegrenzenden Störstellen 112 lateral vom Übergangsbereich 1023 in den IGBT-Bereich 1021. Dies kann auf eine laterale Diffusion der lebensdauerbegrenzenden Störstellen vom Übergangsbereich 1023 in den IGBT-Bereich 1021 zurückzuführen sein.
Ein erster Lastanschluss 126, z. B. eine Metallschicht in einem Verdrahtungsbereich über der ersten Oberfläche 108, ist durch Kontaktstöpsel 128 mit dem IGBT-Bereich 1021, dem Übergangsbereich 1023 und dem Diodenbereich 1022 elektrisch verbunden. Der erste Lastanschluss 126 weist einen Emitter-Kontaktteil 1261 im IGBT-Bereich 1021 auf und weist ferner einen Anoden-Kontaktteil 1262 im Diodenbereich 1022 auf. Die Kontaktstöpsel 1021 erstrecken sich durch ein zwischen der ersten Oberfläche 108 des Halbleiterkörpers 104 und dem ersten Lastanschluss 126 angeordnetes Zwischendielektrikum 132. Ein n⁺-dotiertes Source- oder Emitter-Gebiet 119 grenzt an einige der Gräben 106 im IGBT-Bereich 1021, z. B. an den Graben-Untertyp 1061 (Steuergraben), wie er mit Verweis auf 2 beschrieben wurde.
Im veranschaulichten Beispiel ist ein lateraler Abstand p1 von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben 106 im Diodenbereich 1022 gleich einem lateralen Abstand p3 von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben 106 im Übergangsbereich 1023. Ein lateraler Abstand p2 von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben 106 im IGBT-Bereich 1021 ist kleiner als der laterale Abstand p1 von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben 106 im Diodenbereich 1022.
Eine Konzentration der lebensdauerbegrenzenden Störstellen 112 im IGBT-Bereich 1021 ist kleiner als im Diodenbereich 1022. Dies kann durch eine laterale Diffusion der lebensdauerbegrenzenden Störstellen vom Übergangsbereich 1023 in den IGBT-Bereich 1021 bewirkt werden.
Ferner enthält der RC-IGBT 100 ein n-dotiertes Feldstoppgebiet 134 in dem IGBT-Bereich 1021, dem Diodenbereich 1022 und dem Übergangsbereich 1023.
Der RC-IGBT 100 enthält überdies ein n⁺-dotiertes Kathoden-Gebiet 116, das im Diodenbereich 1022 zwischen dem Driftgebiet 110 und der zweiten Oberfläche 109 angeordnet ist.
Weiter enthält der RC-IGBT 100 ein p-dotiertes Kollektor-Gebiet 118 im IGBT-Bereich 1021 zwischen dem Driftgebiet 110 und der zweiten Oberfläche 109. Nun auch auf 4 Bezug nehmend weist das Kollektor-Gebiet 118 eine Anordnung erster und zweiter Teilgebiete 1181, 1182 auf, die sich entlang der ersten lateralen Richtung x1 abwechseln, wobei das erste Teilgebiet 1181 eine größere maximale Dotierungskonzentration als das zweite Teilgebiet 1182 aufweist.
Wie in 3 veranschaulicht ist, umfasst das Kollektor-Gebiet 118 ferner ein drittes Teilgebiet 1183 im Übergangsbereich 1023, das durch den Diodenbereich 1022 und die Anordnung von sich abwechselnden ersten und zweiten Teilgebieten 1181, 1182 im IGBT-Bereich 1021 begrenzt ist. Das dritte Teilgebiet 1183 hat eine kleinere maximale Dotierungskonzentration als das erste Teilgebiet 1081.
Ein zweiter Lastanschluss 136, z. B. eine Metallschicht, ist auf der zweiten Oberfläche 109 des Halbleiterkörpers 104 angeordnet. Der zweite Lastanschluss 136 ist mit dem IGBT-Bereich 1021, dem Übergangsbereich 1023 und dem Diodenbereich 1022 elektrisch verbunden. Der zweite Lastanschluss 136 weist einen Kollektor-Kontaktteil 1361 im IGBT-Bereich 1021 auf und weist ferner einen Kathoden-Kontaktteil 1362 im Diodenbereich 1022 auf.
Die schematische Querschnittsansicht von 5 veranschaulicht einen weiteren beispielhaften RC-IGBT 100. Der RC-IGBT 100 unterscheidet sich vom RC-IGBT 100 von 3 dadurch, dass das dritte Teilgebiet 1183 im Übergangsbereich 1023 durch das Kathoden-Gebiet 116 ersetzt ist, das sich vom Diodenbereich 1022 lateral in den gesamten Übergangsbereich 1023 erstreckt.
Die schematische Querschnittsansicht von 6 veranschaulicht einen weiteren beispielhaften RC-IGBT 100. Der RC-IGBT 100 unterscheidet sich vom RC-IGBT 100 von 3 dadurch, dass das dritte Teilgebiet 1183 im Übergangsbereich 1023 vom Übergangsbereich 1023 in den IGBT-Bereich 1021 verschoben und im Übergangsbereich 1023 durch das Kathoden-Gebiet 116 ersetzt ist, das sich vom Diodenbereich 1022 lateral in den gesamten Übergangsbereich 1023 erstreckt.
Die schematischen Draufsichten der 7A und 7B dienen zur Veranschaulichung beispielhafter Ausgestaltungen streifenförmiger erster und zweiter Teilgebiete 1181, 1182 im IGBT-Bereich 1021. Die streifenförmigen Teilgebiete 1181, 1182 liegen senkrecht zum Diodenbereich 1022, d. h. die streifenförmigen Teilgebiete 1181, 1182 liegen senkrecht zu einem Umfang 138 zwischen dem Diodenbereich 1022 und dem Übergangsbereich 1023. Ein Randabschlussbereich 1024 umgibt den aktiven Bereich 102.
Die schematische Querschnittsansicht von 8 veranschaulicht einen anderen beispielhaften RC-IGBT 100. Der Diodenbereich 1022 geht über den Übergangsbereich 1023 in den Randabschlussbereich 1024 über. Das Kathoden-Gebiet 116 erstreckt sich vom Diodenbereich 1022 lateral in einen ersten Teil des Übergangsbereichs 1023. In einem zweiten Teil des Übergangsbereichs 1023 enthält der RC-IGBT 100 ferner ein p-dotiertes Gebiet 120, das zwischen dem Driftgebiet 102 und der zweiten Oberfläche 109 angeordnet ist. Das p-dotierte Gebiet 120 ist mit einer niedrigen Dotierungsaktivierung ausgelegt. Das p-dotierte Gebiet 120 hat eine Dotierungskonzentration gleich oder ähnlich dem Teilgebiet 1182 des Kollektors 118 des RC-IGBT 100, um den Leckstrom im Gebiet der Randabschlüsse (PNP-Bipolarverstärkung) und eine minimale Wechselwirkung mit dem Plasma freier Träger der Diode während des Ausschaltprozesses der Diode zu minimieren. Das p-dotierte Gebiet 120 grenzt an einer ersten Position Po1 lateral an den Teil des Diodengebiets 116, der sich in den Übergangsbereich 1023 erstreckt. Ein lateraler Abstand ld zwischen der ersten Position Po1 und dem Randabschlussbereich 1024 kann beispielsweise in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm liegen. Das p-dotierte Gebiet 120 erstreckt sich lateral in den Randabschlussbereich 1024. Der Randabschlussbereich 1024 enthält ferner ein an die erste Oberfläche 108 angrenzendes p-dotiertes Wannengebiet 122. Eine Tiefe t1 des p-dotierten Wannengebiets 122 ist größer als eine Tiefe t2 der Vielzahl von Gräben 106. Das p-dotierte Wannengebiet 122 bildet den Beginn der Randabschlusskonstruktion in der Richtung des Chip-Rands. Das p-dotierte Wannengebiet 122 wirkt, da es tiefer als die Grabentiefe ist, hohen elektrischen Feldkonzentrationen an der Stelle, an der die Grabenanordnung abrupt endet, entgegen.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzuführen.
Obgleich spezifische Ausführungsformen hierin veranschaulicht und beschrieben wurden, versteht der Fachmann, dass eine Vielzahl anderer und/oder äquivalenter Ausgestaltungen für die spezifischen Ausführungsformen, die dargestellt und beschrieben wurden, substituiert werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Varianten der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher soll diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente begrenzt sein.

Claims

Rückwärts leitender Bipolartransistor mit isoliertem Gate, RC-IGBT (100), aufweisend: einen aktiven Bereich (102) in einem Halbleiterkörper, wobei der aktive Bereich (102) aufweist: einen IGBT-Bereich (1021), einen Diodenbereich (1022) und einen Übergangsbereich (1023), der dem Diodenbereich (1022) lateral benachbart ist; eine Vielzahl von Gräben (106), die sich von einer ersten Oberfläche (108) des Halbleiterkörpers (104) aus in den Halbleiterkörper (104) erstrecken, wobei die erste Oberfläche (108) einer zweiten Oberfläche (109) des Halbleiterkörpers (104) entgegengesetzt ist; ein Driftgebiet (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei das Driftgebiet (110) lebensdauerbegrenzende Störstellen (112) im Übergangsbereich (1023) enthält; ein Barrieren-Gebiet (114) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet (110) und der ersten Oberfläche (104), wobei eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet (114) zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet (110) ist und wobei sich das Barrieren-Gebiet (114) lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs (1023) erstreckt und lateral in oder vor dem Diodenbereich (1022) endet; und einen Randabschlussbereich (1024), der den aktiven Bereich (102) zumindest teilweise umgibt.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die lebensdauerbegrenzenden Störstellen (112) durch zumindest einen vorwiegenden Teil des Diodenbereichs (1022) erstrecken.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich die lebensdauerbegrenzenden Störstellen (112) lateral vom Übergangsbereich (1023) in den IGBT-Bereich (1021) erstrecken.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Konzentration der lebensdauerbegrenzenden Störstellen (112) im IGBT-Bereich (1021) kleiner ist als im Diodenbereich (1022).
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein lateraler Abstand (p1, p2) von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben (106) im Diodenbereich (1022) größer als im IGBT-Bereich (1021) ist.
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein lateraler Abstand (p1) von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben (106) im Diodenbereich (1022) gleich einem lateralen Abstand (p3) von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben (106) im Übergangsbereich (1023) ist.
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine laterale Erstreckung (lm) des Übergangsbereichs (1023) in einem Bereich von 10% bis 30% einer Dicke (d) des Halbleiterkörpers (104) zwischen der ersten und zweiten Oberfläche (108, 109) liegt.
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: ein Kathoden-Gebiet (116) des ersten Leitfähigkeitstyps, das im Diodenbereich (1022) zwischen dem Driftgebiet (110) und der zweiten Oberfläche (109) angeordnet ist, wobei sich das Kathoden-Gebiet (116) lateral in zumindest einen Teil des Übergangsbereichs (1023) erstreckt.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich das Kathoden-Gebiet (116) lateral in den gesamten Übergangsbereich (1023) erstreckt.
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Kollektor-Gebiet (118) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das im IGBT-Bereich (1021) zwischen dem Driftgebiet (110) und der zweiten Oberfläche (109) angeordnet ist, wobei das Kollektor-Gebiet (118) eine Anordnung erster und zweiter Teilgebiete (1181, 1182) aufweist, die sich entlang einer lateralen Richtung abwechseln, wobei das erste Teilgebiet (1181) eine größere maximale Dotierungskonzentration als das zweite Teilgebiet (1182) aufweist.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kollektor-Gebiet (118) ferner ein drittes Teilgebiet (1183) im IGBT-Bereich (1021) enthält, das durch den Übergangsbereich (1023) und die Anordnung von sich abwechselnden ersten und zweiten Teilgebieten (1181, 1182) begrenzt ist, wobei das dritte Teilgebiet (1183) eine kleinere maximale Dotierungskonzentration als das erste Teilgebiet (1181) aufweist.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jedes der ersten und zweiten Teilgebiete (1181, 1182) i) entlang einer ersten lateralen Richtung (x1) in einem ersten Teil des IGBT-Bereichs (1021) streifenförmig ist und ii) entlang einer zweiten lateralen Richtung (x2) in einem zweiten Teil des IGBT-Bereichs (1021) streifenförmig ist.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste laterale Richtung (x1) senkrecht zur zweiten lateralen Richtung (x2) ist.
RC-IGBT (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übergangsbereich (1023) durch den Diodenbereich (1022) und den Randabschlussbereich (1024) lateral begrenzt ist.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner aufweisend ein dotiertes Gebiet (120) des zweiten Leitfähigkeitstyps im Übergangsbereich (1023), das zwischen dem Driftgebiet (102) und der zweiten Oberfläche (109) angeordnet ist, wobei das dotierte Gebiet (120) an einer ersten Position (Po1) lateral an einen Teil des Kathoden-Gebiets (116) grenzt, der sich in den Übergangsbereich (1023) erstreckt.
RC-IGBT (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein lateraler Abstand (ld) zwischen der ersten Position (Po1) und dem Randabschlussbereich (1024) in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm liegt.
RC-IGBT (100) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das dotierte Gebiet (120) lateral in den Randabschlussbereich (1024) erstreckt.
RC-IGBT (100) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei der Randabschlussbereich (1024) ferner ein dotiertes Wannengebiet (122) des zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, das an die erste Oberfläche (108) grenzt, wobei eine Tiefe (t1) des dotierten Wannengebiets (122) größer ist als eine Tiefe (t2) der Vielzahl von Gräben (106) .
RC-IGBT (100) nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei ein lateraler Abstand (p31, p32) von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Gräben der Vielzahl von Gräben (106) im Übergangsbereich (1023) in Richtung des Randabschlussbereichs (1024) abnimmt.
Verfahren zum Herstellen eines rückwärts leitenden Bipolartransistors mit isoliertem Gate, RC-IGBT (100), wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden eines aktiven Bereichs (102) in einem Halbleiterkörper, wobei der aktive Bereich (102) aufweist: einen IGBT-Bereich (1021), einen Diodenbereich (1022) und einen Übergangsbereich (1023), der dem Diodenbereich (1022) lateral benachbart ist; eine Vielzahl von Gräben (106), die sich von einer ersten Oberfläche (108) des Halbleiterkörpers (104) aus in den Halbleiterkörper (104) erstrecken, wobei die erste Oberfläche (108) einer zweiten Oberfläche (109) des Halbleiterkörpers (104) entgegengesetzt ist; ein Driftgebiet (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei das Driftgebiet (110) lebensdauerbegrenzende Störstellen (112) im Übergangsbereich (1023) enthält; ein Barrieren-Gebiet (114) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Driftgebiet (110) und der ersten Oberfläche (104), wobei eine maximale Dotierungskonzentration im Barrieren-Gebiet (114) zumindest 100-mal größer als eine durchschnittliche Dotierungskonzentration im Driftgebiet (110) ist und wobei sich das Barrieren-Gebiet (114) lateral durch zumindest einen Teil des Übergangsbereichs (1023) erstreckt und lateral in oder vor dem Diodenbereich (1022) endet; und Ausbilden eines Randabschlussbereichs (1024), der den aktiven Bereich (102) zumindest teilweise umgibt.