DE10205324A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Halbleiterbauelement wie beispielsweise einen IGBT, der durch Verwendung eines Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers hergestellt wird, der von einem Block abgeschnitten wird und dessen Oberfläche poliert und gereinigt wird. Das Halbleiterbauelement weist eine n-leitende Dotierstoffdiffusionsschicht auf, in die Ionen mit so hoher Dosis implantiert wurden, daß das elektrische Feld beim Ausschalten gestoppt wird, und die zwischen einer Kollektorschicht (9) und einer Basisschicht (2) als Feldstoppschicht (24) zum Stoppen des elektrischen Felds beim Ausschalten vorgesehen ist. Die durch Xfs-Xj definierte Dicke dieser Feldstoppschicht (24) wird auf den Bereich von 0,5 mum bis 3 mum eingestellt, wobei Xfs die Stelle ist, an der die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht (24) das Doppelte der Dotierstoffkonzentration der Basisschicht (2) ist, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen der Feldstoppschicht (24) und der Kollektorschicht (9) ist. Damit kann ein Halbleiterbauelement wie beispielsweise ein IGBT geschaffen werden, der unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers und mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann und geringe Verluste aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterbauele
ment, das einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) bildet.
Als IGBTs sind Bauelemente mit planaren Gate-Strukturen wie die beispielsweise in Fig. 25 und
26 gezeigten und Bauelemente mit Trench-Gate-Strukturen wie die beispielsweise in Fig. 27 und
28 gezeigten bekannt. Ein in Fig. 25 oder Fig. 27 gezeigter Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT
umfaßt: eine Basisschicht 2, die sich aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat zusammensetzt,
das beispielsweise aus einem FZ-Wafer hergestellt ist; eine p-leitende Kanaldiffusionszone 3, eine
n-leitende Emitterdiffusionszone 4, eine Emitterelektrode 5, einen Gate-Isolierfilm 6, eine Gate-
Elektrode 7 und einen Isolierfilm 8, die an einer Hauptfläche des Substrats gebildet sind; und eine
p-leitende Kollektorschicht 9 sowie eine Kollektorelektrode 10, die an der zweiten Hauptfläche
des Substrats gebildet sind.
Ein in Fig. 26 und Fig. 28 gezeigter Durchgreifspannungs-IGBT verwendet einen Wafer, der ein
Epitaxialwafer ist, und umfaßt einen p-leitenden Wafer 11, eine n-leitende Halbleiterschicht 12
sowie eine weitere n-leitende Halbleiterschicht 13, deren Dotierstoffkonzentration geringer als
diejenige der Halbleiterschicht 12 ist, wobei die zwei n-leitenden Halbleiterschichten auf dem
p-leitenden Wafer 11 epitaktisch aufgewachsen werden. Der p-leitende Wafer 11 bildet eine
Kollektorschicht 9; die Halbleiterschicht 12 auf der Kollektorschicht bildet eine Pufferschicht 14,
und die Halbleiterschicht 13 auf der Pufferschicht bildet eine Basisschicht 2.
Im Oberflächenbereich auf der Seite der Basisschicht 2 des Epitaxialwafers sind eine p-leitende
Kanaldiffusionszone 3, eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4, eine Emitterelektrode 5, ein Gate-
Isolierfilm 6, eine Gate-Elektrode 7 und ein Isolierfilm 8 gebildet. Eine Kollektorelektrode 10 ist
auf der Oberfläche auf der Seite der Kollektorschicht 9 gebildet, welche die Rückseite des
Epitaxialwafers darstellt.
Der vorgenannte Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT weist jedoch den Nachteil großer Verluste
aufgrund der dicken Basisschicht 2 auf, die aber erforderlich ist, damit sich die Verarmungs
schicht beim Ausschaltvorgang nicht über die Dicke der Basisschicht 2 hinaus ausdehnt. Beim
ebenfalls vorgenannten Durchgreifspannungs-IGBT beträgt die Dicke der Basisschicht 2 etwa 120 µm
für ein Beispiel mit einer Sperrspannungsklasse von 1200 V. Dieser Wert der Dicke ist kleiner
als die Dicke von etwa 180 µm der Basisschicht eines Nicht-Durchgreifspannungs-IGBTs, was zu
niedrigeren Verlusten beim Durchgreifspannungs-IGBT führt. Der Durchgreifspannungs-IGBT
weist jedoch den Nachteil höherer Kosten des Chips auf, die durch die niedrigere Ausbeute des
Chips und die höheren Kosten (mehr als doppelt so hoch) des Epitaxialwafers im Vergleich zum
FZ-Wafer bestehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement, insbe
sondere einen IGBT, zu schaffen, der mit hoher Ausbeute unter Verwendung eines kostengünsti
gen Wafers hergestellt werden kann und der geringe Verluste aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Halbleiterbauelement
wie beispielsweise einen IGBT, der durch Verwendung eines Wafers wie beispielsweise eines FZ-
Wafers hergestellt wird, der von einem Block abgeschnitten wird und dessen Oberfläche poliert
und gereinigt wird. Das Halbleiterbauelement weist eine n-leitende Dotierstoffdiffusionsschicht
auf, in die Ionen mit so hoher Dosis implantiert wurden, daß das elektrische Feld beim Ausschal
ten gestoppt wird, und die zwischen einer Kollektorschicht und einer Basisschicht als Feldstopp
schicht zum Stoppen des elektrischen Felds beim Ausschalten vorgesehen ist (nachstehend wird
diese Dotierstoffdiffusionsschicht auch als Feldstoppschicht bezeichnet). Die durch Xfs-Xj
definierte Dicke dieser Feldstoppschicht wird auf den Bereich von 0,5 µm bis 3 µm eingestellt,
wobei Xfs die Stelle ist, an der die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht das Doppelte
der Dotierstoffkonzentration der Basisschicht ist, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen
der Feldstoppschicht und der Kollektorschicht ist. Damit kann ein Halbleiterbauelement wie
beispielsweise ein IGBT geschaffen werden, der unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers
und mit hohen Ausbeuten hergestellt werden kann und geringe Verluste aufweist. Einer der
Gründe, warum die Dicke der Feldstoppschicht, Xfs-Xj, im oben angegebenen Bereich liegt,
besteht darin, daß, wenn die Feldstoppschicht mittels Ionenimplantation gebildet wird, die
maximale Tiefe aufgrund der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Energiegrenze der Ionenim
plantation für die praktische Massenproduktion 3 µm ist. Andererseits liegt der Grund für die
untere Grenze darin, daß eine Diffusionsschicht, die dünner als die vorgenannte untere Grenze
ist, durch Ionenimplantation mit präziser Steuerung nur schwer zu bilden ist.
Die Spannung, bei der die Basisschicht vollständig verarmt wird, soll das 0,45- bis 0,7fache der
Sperrspannung dieses IGBTs sein. Dies ist so, weil, wenn die Verarmungsspannung niedriger als
die obige Grenze ist, die Spike-Spannung die Spannung zwischen der Spitzenspannung des
Spannungsstoßes und der Betriebsspannung) beim Schaltvorgang nahe der Sperrspannung sein
würde und ein Versagen des (GBTs und/oder ein Versagen bzw. eine Fehlfunktion des den IGBT
enthaltenden Systems verursachen kann. Andererseits kann, wenn die untere Grenze überschrit
ten wird, keine Reduktion der Leistungsverluste um mehr als 20% erwartet werden. Im
allgemeinen erfordert ein neues Produkt eine Reduzierung der Leistungsverluste um mehr als 20%
im Vergleich zum herkömmlichen Produkt, um dieses herkömmliche zu ersetzen.
Der Spitzenwert der Dotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht ist vorzugsweise größer als
das 15fache des Spitzenwerts der Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht. Wenn er dies
nicht ist, überschreitet die Durchlaßspannung 3 V, was nicht praktisch ist.
Die Dotierstoffkonzentration am Zonenübergang zwischen der Kollektorschicht und der Feld
stoppschicht ist vorzugsweise nicht geringer als 4 × 1016 cm-3. Wenn sie jedoch kleiner als dieser
Wert ist, reicht die Sperrspannung in dem im tatsächlichen Betrieb vorkommenden Fall nicht aus,
daß das Kollektorpotential niedriger wird als das Emitterpotential.
Die mittlere Donatorkonzentration in der Feldstoppschicht ist vorzugsweise nicht geringer als
1 × 1015 cm-3 und nicht geringer als das 15fache der Donatorkonzentration der Basisschicht. Bei
einem IGBT, dessen Basisschicht beispielsweise 600 V standhalten kann, kann die Feldstopp
schicht mit einer Donatorkonzentration von weniger als 1 × 1015 cm-3 600 V nicht standhalten,
weil die Tiefe Xfs-Xj der durch Ionenimplantation gebildeten Feldstoppschicht auf 3 µm begrenzt
ist; das heißt, der IGBT kann keine Sperrspannung von 1200 V erzielen. Die mittlere Donatorkon
zentration der Feldstoppschicht ist nicht geringer als das 15fache der Donatorkonzentration der
Basisschicht mit einem spezifischen Widerstand von 60 Ωcm, deren Konzentration 7 × 1013 cm-3
beträgt.
Eine geeignete Dosismenge für die Dotierung der Feldstoppschicht liegt im Bereich zwischen
3 × 1011 cm-2 und 1 × 1012 cm-2. Dies ist so, weil die mittlere Donatorkonzentration nicht weniger als
1 × 1015 cm-3 beträgt und die Dosis der Feldstoppschicht mit einer Dicke Xfs-Xj von 3 µm nicht
weniger als 3 × 1011 cm-2 beträgt. Wenn die Dicke Xfs-Xj der Feldstoppschicht 0,5 µm beträgt,
kann angenommen werden, daß die Feldstoppschicht mit einer mittleren Donatorkonzentration
von 2 × 1016 cm-3 600 V standhält. Die dieser Donatorkonzentration entsprechende Dosis beträgt
1 × 1012 cm-2, was eine obere Grenze der Dosis darstellt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Spannung VA, bei der die Feldstoppschicht und die Basisschicht bei
25°C einen Durchgriff beginnen bzw. erleiden, das 1,54fache der Spannung VB beträgt, die
durch Lawinendurchbruch des pn-Übergangs bestimmt ist, oder wenn sie kleiner als das
0,84fache der Spannung VB beträgt. Während der Temperaturbereich für die Leistungsgarantie
eines IGBTs im allgemeinen -20°C bis 150°C ist, kommen sich, wenn das Verhältnis von VA zu
VB bei 25°C in einem der vorgenannten Bereiche liegt, VA und VB nicht zu nahe, weshalb ein
Versagen des IGBTs im gesamten Temperaturbereich von -20°C bis 150°C kaum auftritt.
Erfindungsgemäß ist eine Dotierstoffdiffusionsschicht, die als Feldstoppschicht dient, im Bereich
einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats mit einer Tiefe von nicht mehr als 3 µm gebildet, was
die maximal erreichbare Tiefe des Implantierens innerhalb der in der Praxis zur Verfügung
stehenden Grenze der Ionenimplantationsenergie darstellt. Da diese Dotierstoffdiffusionszone
mittels Ionenimplantation gebildet werden kann, kann ein IGBT mit hoher Ausbeute unter
Verwendung eines kostengünstigen Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers, der gleich ist
wie bei einem Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT, hergestellt werden. Außerdem ermöglicht es die
Feldstoppschicht, daß die Basisschicht so dünn wie bei dem Durchgreifspannungs-IGBT ist, der
nur niedrige Verluste aufweist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehen
den Beschreibung vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Halbleiterbauelements gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, das ein Dotierstoffprofil nahe der Kollektorschicht des in Fig. 1
dargestellten IGBTs zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm, das eine Wellenform der Schwingung des Kollektorstroms und der
Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter beim Ausschaltvorgang eines mit
einer Feldstoppschicht versehenen, jedoch eine dünne Basisschicht aufweisenden
IGBTs zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Spike-Spannung beim Schaltvorgang
bei 800 V und der Dicke der Basisschicht in einem IGBT mit einer Sperrspannung von
1200 V zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Durchlaßspannung von dem Ccp/Cfp eines
IGBTs zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und der
Durchbruchspannung an einem pn-Übergang zeigt;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mittleren Donatorkonzentration einer
Feldstoppschicht und der Dicke der Schicht zeigt;
Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dosis in einer Feldstoppschicht und der
Sperrspannung eines IGBTs zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausfallrate von IGBTs vom Verhältnis VA/VB
zeigt, wobei VA die Sperrspannung im Durchgreifmodus ist und VB die Sperrspannung
im Lawinendurchbruchmodus ist;
Fig. 10 ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung VA im Durchgreif
modus und die Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung VB im Lawinendurch
bruchmodus zeigt;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 12 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 16 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau darstellt;
Fig. 17 eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines Halbleiterbauelements gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 18 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 19 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 20 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 21 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 22 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 23 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstel
lungsprozesses eines in Fig. 17 gezeigten IGBTs darstellt;
Fig. 24 ein Diagramm, das Ausschaltwellenformen zeigt, die durch Simulationen für einen IGBT
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zwei herkömmliche IGBTs ge
wonnen wurden, wobei alle IGBTs den gleichen Durchlaßspannungsabfall aufweisen;
Fig. 25 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen IGBTs;
Fig. 26 eine Querschnittsansicht eines anderen herkömmlichen IGBTs;
Fig. 27 eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen IGBTs; und
Fig. 28 eine Querschnittsansicht eines anderen herkömmlichen IGBTs.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauele
ments. Dieses Halbleiterbauelement ist ein IGBT mit einer planaren Gate-Struktur und einer
Basisschicht 2, die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 gebildet ist, das beispielsweise aus
einem Silicium-FZ-Wafer hergestellt ist. An der Oberfläche der Basisschicht 2 ist eine p-leitende
Kanaldiffusionszone 3 gebildet.
In dieser Kanaldiffusionszone 3 ist eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4 gebildet. Auf einem
Teil dieser Emitterdiffusionszone 4 ist eine Gate-Elektrode 7 unter Zwischenlage eines Gate-
Isolierfilms 6 gebildet. Eine Emitterelektrode 5 ist mit der Kanaldiffusionszone 3 und der Emitter
diffusionszone 4 elektrisch verbunden und durch einen Isolierfilm 8 gegenüber der Gate-Elektrode
7 isoliert. In einem flachen Abschnitt der Rückseite der Basisschicht 2 ist eine aus einer
n-leitenden Dotierstoffdiffusionsschicht gebildete Feldstoppschicht 24 gebildet. Eine p-leitende
Kollektorschicht 9 ist in einem flachen Abschnitt der Basisschicht 2 an deren Rückseite gebildet.
Eine Kollektorelektrode 10 ist auf der Kollektorschicht 9 gebildet.
Fig. 2 zeigt ein Dotierstoffprofil nahe der Kollektorschicht 9 des IGBTs mit dem in Fig. 1
dargestellten Aufbau. In Fig. 2 bezeichnen Cb, Ccp und Cfp die Dotierstoffkonzentration in der
Basisschicht 2, die Spitzendotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 bzw. die Spitzendo
tierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 24. Xcp und Xfp sind jeweils die Tiefe, bei der die
Dotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 bzw. der Feldstoppschicht 24 ihren maximalen
Wert annimmt. Xfs gibt die Tiefe an, bei der die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht
24 doppelt so groß wie die Dotierstoffkonzentration Cb der Basisschicht 2 ist. Diese Tiefen sind
die Abstände von der Grenzfläche zwischen der Kollektorschicht 9 und der Kollektorelektrode 10.
Xfs-Xj kann als Dicke der Feldstoppschicht 24 in dem in Fig. 1 gezeigten IGBT verwendet
werden. Der Wert dieser Dicke liegt im Bereich von 0,5 µm bis 3 µm. Da bei dieser Ausführungs
form die Feldstoppschicht 24 mittels Ionenimplantation gebildet ist, beträgt die maximale Tiefe
der Ionenimplantation aufgrund der Beschränkung der in der Praxis zur Verfügung stehenden
Ionenimplantationsenergie 3 µm. Somit können Ionen nicht in einen Bereich implantiert werden,
der tiefer als die vorstehend angegebene obere Grenze reicht.
Andererseits basiert die untere Grenze auf der Tatsache, daß eine Diffusionsschicht, die dünner
als die oben angegebene untere Grenze ist, in der Praxis durch Ionenimplantation mit präziser
Steuerung nicht hergestellt werden kann. Wenn jedoch die Ionenimplantationsanlagen so
verbessert würden, daß die Ionen tiefer als die vorgenannte obere Grenze implantiert werden,
oder die Diffusionsschicht flacher als die vorgenannte untere Grenze mit präziser Steuerung
gebildet werden könnte, könnte der Bereich der Dicke der Feldstoppschicht nach Maßgabe der
technologischen Entwicklung über die vorstehend angegebenen Beschränkungen hinaus verändert
werden.
Der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats oder der spezifische Widerstand des FZ-
Wafers ist in der Dickenrichtung gleichförmig bzw. homogen und weist beispielsweise einen Wert
von 60 Ωcm auf. Hier bedeutet "gleichförmig" bzw. "homogen" in der Dickenrichtung, daß die
Variation des spezifischen Widerstands innerhalb von ±20% in der Dickenrichtung des Wafers
liegt. Der bei der Erfindung verwendete Wafer muß nicht unbedingt ein FZ-Wafer sein, vorausge
setzt die Variation des spezifischen Widerstands in der Dickenrichtung liegt innerhalb von ±20%.
Wenn der spezifische Widerstand des Wafers 60 Ωcm beträgt, beträgt der spezifische Wider
stand der Basisschicht 2 60 Ωcm. Die Dicke der Basisschicht 2 beträgt etwa 120 µm für einen
IGBT der Sperrspannung von 1200 V. Da die Feldstoppschicht 24 die Verarmungsschicht, die in
der Basisschicht 2 während des Ausschaltens auftritt, genauso wie eine Pufferschicht eines
herkömmlichen Durchgreifspannungs-IGBTs stoppt, braucht die Dicke der Basisschicht nur etwa
gleich der Dicke der Basisschicht des herkömmlichen Durchgreifspannungs-IGBTs zu sein.
Die Spannung Vpt, bei der die Basisschicht 2 vollständig verarmt, liegt in geeigneter Weise im
Bereich zwischen dem 0,45- und 0,7fachen der Sperrspannung BVce des IGBTs. Der Grund
hierfür ist wie folgt: Wenn die Basisschicht 2 in dem IGBT mit einer Feldstoppschicht 24 dünn
ist, werden die gespeicherten Ladungsträger in der Basisschicht 2 beim Ausschaltvorgang bei
einer hohen Kollektorspannung abgezogen, was zu Strom- und Spannungsschwingungen führt,
wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Diese Strom- und Spannungsschwingungen erzeugen nicht nur Schaltrauschen, sondern können
auch ein Versagen oder eine Fehlfunktion des Systems aufgrund der Überspannung bewirken,
weshalb sie so weit wie möglich unterdrückt werden müssen. Bei einem einen IGBT der Sperr
spannungsklasse von beispielsweise 1200 V verwendenden Gleichrichter beträgt der Gleichge
wichtswert der Kollektorspannung etwa 600 V. Die Kollektorspannung kann jedoch in einer
speziellen Betriebsbedingung auf 800 V ansteigen.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit einer Spike-Spannung bei einem Schaltvorgang bei Vcc = 800 V
von der Dicke der Basisschicht 2 eines IGBTs mit einer Sperrspannung von 1200 V. Hier ist die
Dicke der Basisschicht 2 in Einheiten von Vpt/BVce dargestellt, weil Vpt, das die Spannung ist,
bei der die Basisschicht vollständig verarmt, mit zunehmender Dicke der Basisschicht zunimmt.
BVce ist die Sperrspannung des IGBTs. Die Spike-Spannung soll unter Berücksichtigung dessen,
daß die Kollektorspannung möglicherweise auf 800 V ansteigt, 400 V nicht übersteigen.
Demzufolge darf Vpt/BVce gemäß Darstellung in Fig. 4 nicht kleiner sein als 0,45, das heißt, Vpt
ist größer oder gleich dem 0,45fachen von BVce. Was die obere Grenze von Vpt/BVce angeht,
braucht zwar vom Standpunkt des Unterdrückens der Spikespannung aus keine spezielle
Beschränkung auferlegt zu werden, jedoch entspricht ein großes Vpt einer dicken Basisschicht 2,
was zu großen Verlusten führt. Um eine Reduzierung der Verluste von mehr als 20% im
Vergleich zu den Verlusten eines herkömmlichen Nicht-Durchgreifspannungs-IGBTs zu erzielen,
soll Vpt/BVce in geeigneter Weise nicht größer als 0,7 sein. Die obige Argumentation ist auch bei
IGBTs anwendbar, die nicht der Sperrspannungsklasse von 1200 V angehören. Daher liegt die
Spannung Vpt in geeigneter Weise im Bereich zwischen dem 0,45- und dem 0,7fachen der
Sperrspannung BVce.
Der Spitzenwert Ccp der Dotierstoffkonzentration der Kollektorschicht 9 ist vorzugsweise mehr
als das 15fache des Spitzenwerts Cfp der Dotierstoffkonzentration der Feldstoppschicht 24. Der
Grund hierfür wird nachstehend beschrieben. Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Durchlaßspannung
von Ccp/Cfp eines IGBTs. Wie in Fig. 5 gezeigt, nimmt die Durchlaßspannung bei von 100 aus
abnehmendem Ccp/Cfp-Wert aufgrund des Fehlens der Minoritätsladungsträgerinjektion rapide zu
und übersteigt 3 V bei einem Ccp/Cfp-Wert von 15.
Da eine Durchlaßspannung von mehr als 3 V im allgemeinen unpraktisch ist, ist ein IGBT mit
einem Ccp/Cfp-Wert von nicht mehr als 15 unpraktisch. Die mittlere Donatorkonzentration in der
Feldstoppschicht 24 beträgt nicht weniger als 1 × 1015 cm-3, wie später beschrieben. Die
Spitzendotierstoffkonzentration Ccp der Kollektorschicht 9 beträgt im allgemeinen höchstens
etwa 1 × 1019 cm-3, was die obere Grenze des Ccp/Cfp-Werts bestimmt. Der obere Grenzwert
selbst ist jedoch nicht wichtig, weil die Durchlaßspannung bei zunehmendem Ccp/Cfp-Wert einen
bestimmten Grenzwert erreicht.
Die Dotierstoffkonzentration beträgt vorzugsweise nicht weniger als 4 × 1016 cm-3 an der Stelle
Xj des Zonenübergangs zwischen der Kollektorschicht 9 und der Feldstoppschicht 24. Der Grund
hierfür ist der folgende: Bei einem IGBT befindet sich der Kollektor gewöhnlich auf einem
positiven und höheren elektrischen Potential als der Emitter. Gelegentlich wird jedoch im
tatsächlichen Betrieb beispielsweise eines Inverters eine umgekehrt gepolte Spannung angelegt.
Demzufolge ist eine Rückwärtssperrspannung von mindestens 20 V erforderlich. Die Rückwärts
sperrspannung eines IGBTs hängt von der Dotierstoffkonzentration an der Stelle Xj ab.
Zur Erzielung einer Rückwärtssperrspannung von nicht weniger als 20 V an einem pn-Übergang
ist dort eine Dotierstoffkonzentration von 4 × 1016 cm-3 erforderlich, wie aus dem Diagramm von
Fig. 6 bekannt ist, das die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und der Durchbruch
spannung zeigt. Dieses Diagramm ist aus dem Buch von S. M. Sze: "Physics of Semiconductor
Devices", 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc., S. 101 (1981) entnommen.
Die Donatorkonzentration in der Feldstoppschicht ist vorzugsweise nicht geringer als 1 × 1015 cm-3.
Der Grund hierfür ist der folgende Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der mittleren Donatorkon
zentration einer Feldstoppschicht von der Dicke der Schicht. Das Diagramm ist bei IGBTs
anwendbar, deren Basisschicht 120 µm dick ist und 600 V standhält und die Beziehung ist von
einer Simulation der kritischen Werte für die Feldstoppschicht zum Standhalten von 600 V
abgeleitet.
Der schraffierte Bereich, das heißt der Teil oberhalb der punktierten Linie, gibt den Bereich an, in
dem die Feldstoppschicht 24 600 V standhält. In diesem Bereich ist die Feldstoppschicht relativ
dick, das heißt relativ groß (Xfs-Xj), und weist eine relativ hohe Dotierstoffkonzentration auf. Der
IGBT als Ganzes hält in diesem schraffierten Bereich 1200 V stand. Wie vorstehend ausgeführt,
ist gegenwärtig die praktische Grenze der Tiefe Xfs-Xj beim Prozeß der Bildung der Feldstopp
schicht 24 mittels Ionenimplantation aufgrund der Begrenzung der Ionenimplantationsenergie
3 µm. Somit ist aus Fig. 7 für einen IGBT mit einer Sperrspannung der 1200-V-Klasse bekannt, daß
die mittlere Donatorkonzentration der Feldstoppschicht 24 nicht geringer als 1 × 1015 cm-3 ist.
Die mittlere Donatorkonzentration der Feldstoppschicht entspricht etwa dem 15fachen oder mehr
der Donatorkonzentration der einen spezifischen Widerstand von 60 Ωcm aufweisenden Basis
schicht 2 mit 7 × 1013 cm-3. Somit beträgt die mittlere Donatorkonzentration der Feldstoppschicht
24 vorzugsweise das 15fache oder mehr der Donatorkonzentration der Basisschicht 2. Bei IGBTs,
bei denen die Sperrspannung niedriger als 1200 V ist, beispielsweise 600 V oder 900 V, werden
die mittlere Donatorkonzentration der Feldstoppschicht 24 und deren Verhältnis zur mittleren
Donatorkonzentration der Basisschicht niedriger als jene Werte für den 1200-V-IGBT. Bei IGBTs
mit einer Sperrspannung von mehr als 1200 V, beispielsweise 1400 V, 1800 V oder 2000 V,
werden die mittlere Donatorkonzentration der Feldstoppschicht 24 und deren Verhältnis zur
mittleren Donatorkonzentration der Basisschicht höher als jene des 1200-V-IGBTs.
Die Dosis für die Feldstoppschicht 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 3 × 1011 cm-2 bis 1 × 1012 cm-2.
Die untere Grenze der Dosis wird aus der Dicke von 3 µm und der mittleren Donator
konzentration von 1 × 1015 cm-3 der Feldstoppschicht 24 durch folgende Berechnung ermittelt:
1 × 1015 cm-3 × 3 × 10-4 cm = 3 × 1011 cm-2.
Wie aus Fig. 7 bekannt, hält in dem Fall, daß die Dicke Xfs-Xj der Feldstoppschicht 24 0,5 µm
beträgt, die Schicht 600 V stand, wenn die mittlere Donatorkonzentration 2 × 1016 cm-3 beträgt.
Daher wird die vorstehend genannte obere Grenze der Dosis durch folgende Rechnung ermittelt:
2 × 1016 cm-3 × 0,5 × 10-4 cm = 1 × 1012 cm-2.
Die Spannung VA, bei der die Feldstoppschicht 24 und die Basisschicht 2 bei 25°C einen
Durchbruch erleiden, ist vorzugsweise nicht kleiner als das 1,54fache der durch Lawinendurch
bruch am pn-Übergang ermittelten Spannung VB, oder nicht größer als das 0,84fache der
letztgenannten Spannung VB, um den IGBT vor dem Versagen zu bewahren. Der Grund hierfür
wird im folgenden beschrieben. Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der Sperrspannung von der Dosis in
der Feldstoppschicht 24 in einem IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau.
Es gibt zwei Modi, bei einem IGBT von Fig. 1 die Sperrspannung zu bestimmen bzw. festzulegen:
Einen Modus, bei dem die Basisschicht 2 und die Feldstoppschicht 24 das Durchgreifen erleiden
(Linie A in Fig. 8), und einen Modus, bei dem der pn-Übergang einen Lawinendurchbruch erleidet
(Linie B in Fig. 8). Die Sperrspannung im Durchgreifmodus ist durch die Dosis der Feldstopp
schicht und die Konzentration sowie die Dicke der Basisschicht 2 bestimmt. Die Dosis hängt von
der Konzentration und der Tiefe der Feldstoppschicht ab. Die Sperrspannung im Lawinendurch
bruchmodus ist durch die Konzentration und die Breite der Basisschicht 2 und der Oberflächen
struktur bestimmt. Der tatsächliche Wert der Sperrspannung ist durch die kleineren der beiden
Sperrspannungen im Durchgreifmodus und im Lawinendurchbruchmodus bestimmt, wie in Fig. 8
gezeigt.
In dem Bereich, in dem die zwei Modi koexistieren, das heißt in der Nachbarschaft des Schnitts
der Linie A und der Linie B in Fig. 8, ist die Lawinendurchbruchspannung des IGBTs sehr klein.
Wenn sich ein den IGBT bildender pnp-Transistor in dem Zustand unmittelbar vor dem Durchgrei
fen befindet, ist die Basiszone des pnp-Transistors extrem eng bzw. schmal. Die Minoritätsla
dungsträger, die durch Stoßionisation im Bereich der Siliciumoberfläche im Durchgreifmodus
erzeugt werden, bilden einen Basisstrom und schalten einen lokalen Transistor ein, was eine
Stromkonzentration verursacht, der zu einem Versagen des IGBTs führt.
Von den vorliegenden Erfindern ausgeführte Experimente haben gezeigt, daß die Differenz
zwischen der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus und der Sperrspannung VB im Lawinen
durchbruchmodus nicht kleiner als ±5% sein darf, um das vorstehend beschriebene, zum
Versagen führende Phänomen zu vermeiden. Eine kurze Beschreibung der Experimente wird
nachstehend angegeben. Mehrere IGBTs mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 mit verschiedenen
Werten der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus und der Sperrspannung VB im Lawinen
durchbruchmodus wurden hergestellt. Bei diesen IGBTs wurden die Versagensraten ermittelt. Die
Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, ist die Versagensrate unbedeutend,
wenn die Differenz zwischen der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus und der Sperrspannung
VB im Lawinendurchbruchmodus nicht kleiner ±5% ist.
Die Erfinder haben des weiteren die Temperaturabhängigkeit der Sperrspannungen VA und VB
untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 10 gezeigt. Fig. 10 zeigt, daß der Koeffizient der Tempe
raturabhängigkeit der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus negativ ist. Das bedeutet, daß die
Sperrspannung VA mit steigenden Temperaturen abnimmt. Die Abnahmerate beträgt 0,2%/°C.
Andererseits ist der Temperaturkoeffizient der Sperrspannung VB im Lawinendurchbruchmodus
positiv, was bedeutet, daß die Sperrspannung VB mit abnehmenden Temperaturen abnimmt. Die
Rate der Temperaturvariation beträgt 0,08%/°C. Auf der Basis der obigen Daten kann die
Bedingung für einen IGBT ermittelt werden, unter der ein Versagen im gesamten Temperaturbe
reich von -20 bis 150°C vermieden werden kann, was einen gebräuchlichen Temperaturbereich
für eine Garantie der Leistungsfähigkeit eines IGBTs darstellt. Falls bei 25°C die Sperrspannung
VA größer als die Sperrspannung VB ist, kommen sich VA und VB bei höherer Temperatur nahe.
Somit ist die Bedingung zum Vermeiden eines Versagens im gesamten Temperaturbereich von
-20 bis 150°C die, daß VA bei 150°C um 5% oder mehr größer als VB ist:
VA(150°C)/VB(150°C)≧1,05
Linke Seite
=VA(25°C)×[1-0,002×(150-25)]/{VB(25°C)×[1+0,0008×(150-25)]}
=VA(25°C)×[1-0,002×(150-25)]/{VB(25°C)×[1+0,0008×(150-25)]}
Somit gilt
VA(25°C)≧1,54×VB(25°C)
VA(25°C)≧1,54×VB(25°C)
Dies bedeutet, daß, wenn die Sperrspannung VA bei 25°C nicht kleiner als das 1,54fache der
Sperrspannung VB ist, VA im ganzen Temperaturbereich von -20 bis 150°C um 5% oder mehr
größer als VB ist, weshalb ein Versagen vermieden werden kann. In ähnlicher Weise kann die
Bedingung für den Fall ermittelt werden, daß die Sperrspannung VA bei 25°C kleiner als die
Sperrspannung VB ist. In diesem Fall kommen sich VA und VB bei niedrigerer Temperatur nahe.
Daher ist die Bedingung für ein Vermeiden des Versagens im gesamten Temperaturbereich von
-20 bis 150°C die, daß VA bei -20°C um 5% oder mehr kleiner als VB ist:
VA(-20°C)/VB(-20°C)≦0,95
Linke Seite
=VA(25°C)×[1-0,002×(-20-25)]/{VB(25°C)×[1+0,0008×(-20-25)]}
=VA(25°C)×[1-0,002×(-20-25)]/{VB(25°C)×[1+0,0008×(-20-25)]}
Somit gilt
VA(25°C)≦0,84×VB(25°C)
VA(25°C)≦0,84×VB(25°C)
Dies bedeutet, daß, wenn die Sperrspannung VA bei 25°C nicht größer als das 0,84fache der
Sperrspannung VB ist, VA im gesamten Temperaturbereich von -20°C bis 150°C um 5% oder
mehr kleiner als VB ist, weshalb ein Versagen vermieden werden kann.
Nun wird ein Herstellungsprozeß eines speziellen Beispiels eines IGBTs mit dem in Fig. 1
gezeigten Aufbau unter Bezug auf die Fig. 11 bis 16 beschrieben. Zuerst wird ein Gate-
Isolierfilm 6 auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 1 gebildet, das sich aus einem FZ-
Wafer mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 60 Ωcm zusammensetzt. Auf dem
Gate-Isolierfilm 6 wird polykristallines Silicium für die Bildung einer Gate-Elektrode niedergeschla
gen. Ein Fenster wird in dem einer Kanaldiffusionszone 3 entsprechenden Bereich in den Gate-
Isolierfilm 6 und der Gate-Elektrode 7 durch Fotolithografie und Ätzen freigelegt, und es werden
Borionen hier implantiert. Der Querschnittsaufbau bei dieser Stufe des Verfahrens ist in Fig. 11
gezeigt.
Danach wird durch Mustern eines Fotoresists ein Abschnitt des Fotoresists 31 im mittleren Teil
des der Kanaldiffusionszone 3 entsprechenden Fensters stehengelassen. Unter Verwendung des
Fotoresists 31 als Maske werden Arsenionen in die Kanaldiffusionszone 3 implantiert. Der
Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 12 gezeigt. Nach der Entfernung des Fotoresists
31 wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um die durch die Ionenimplantation verursachten
Schäden zu beheben und die implantierten Ionen zu aktivieren, was zur Bildung der Kanaldiffu
sionszone 3 und einer Emitterdiffusionszone 4 führt. Dann wird ein Isolierfilm 8 aufgeschichtet.
Durch Ätzen des Isolierfilms 8 werden ein Teil der Kanaldiffusionszone 3 und ein Teil der
Emitterdiffusionszone 4 freigelegt. Dann wird eine Emitterelektrode 5 aus beispielsweise
Aluminium niedergeschlagen. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 13 gezeigt.
Der resultierende Wafer wird von der anderen Hauptfläche des Substrats 1 aus bis auf eine Dicke
von 120 µm abgeschliffen und poliert. An der polierten Oberfläche werden Phosphorionen
implantiert, um eine Feldstoppschicht 24 zu bilden. Die Dosis beträgt etwa 5 × 1012 cm-2. Der
Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 14 gezeigt. Da die Rate von aktiviertem
Phosphor bei der Wärmebehandlungstemperatur von 400°C etwa 10% beträgt, machen die
elektrisch aktiven Phosphorionen etwa 5 × 1011 cm-2 von den implantierten 5 × 1012 cm-2 aus.
Danach werden Borionen mit einer Dosis von 1 × 1015 cm-2 implantiert, um eine Kollektorschicht 9
zu bilden. Ein Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 15 gezeigt.
Danach wird eine Wärmebehandlung bei etwa 400°C ausgeführt, um die durch die Ionenimplan
tation verursachten Schäden zu beheben und die implantierten Ionen zu aktivieren, was zur
Bildung der Feldstoppschicht 24 und der Kollektorschicht 9 führt. Mit dem Niederschlagen einer
Kollektorelektrode 10 auf der Oberfläche der Kollektorschicht 9 durch beispielsweise Sputtern ist
ein IGBT mit dem Aufbau von Fig. 1 hergestellt. Der Teil der Kollektorelektrode, der in Kontakt
mit der Kollektorschicht 9 steht, ist beispielsweise aus Aluminium oder Platin gebildet.
Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines Halbleiterbauelements gemäß
der vorliegenden Erfindung. Dieses Halbleiterbauelement ist ein IGBT mit einer Trench-Gate-
Struktur. Die Basisschicht 2 ist aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 gebildet, das aus
einem Silicium-FZ-Wafer hergestellt ist. An einer Oberfläche der Basisschicht 2 ist eine p-leitende
Kanaldiffusionszone 3 gebildet. In der Kanaldiffusionszone 3 ist eine n-leitende Emitterdiffusions
zone 4 gebildet. Im Mittelteil der Kanaldiffusionszone 3 ist ein die Emitterdiffusionszone 4
durchsetzender Graben bzw. Trench gebildet. Eine Gate-Elektrode 7 ist in diesem Trench unter
Zwischenlage eines Gate-Isolierfilms 6 gebildet, der die Innenfläche des Trenches bedeckt.
Eine Emitterelektrode 5 ist mit der Kanaldiffusionszone 3 und der Emitterdiffusionszone 4
elektrisch verbunden und bezüglich der Gate-Elektrode 7 durch einen Isolierfilm 8 isoliert. An der
Rückseite der Basisschicht 2 ist in einem flachen Abschnitt bei der Oberfläche eine Feldstopp
schicht 24 gebildet. Eine p-leitende Kollektorschicht 9 ist in demjenigen Abschnitt des flachen
Abschnitts gebildet, der nicht so tief liegt wie die Feldstoppschicht 24. Eine Kollektorelektrode
10 ist auf der Kollektorschicht 9 gebildet.
Der in Fig. 17 gezeigte IGBT unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten IGBT nur dahinge
hend, daß der IGBT von Fig. 17 eine Trench-Gate-Struktur aufweist, während der IGBT von Fig.
1 eine planare Gate-Struktur aufweist. Somit beträgt im IGBT von Fig. 17 die Dicke Xfs-Xj der
Feldstoppschicht 24 0,5 µm bis 3 µm. In ähnlicher Weise beträgt die Spannung, bei der die
Basisschicht 2 vollständig verarmt wird, das 0,45- bis 0,7fache der Sperrspannung des IGBTs.
Der Spitzenwert Ccp der Dotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 ist nicht kleiner als
das 15fache des Spitzenwerts Cfp der Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 24.
Die Donatorkonzentration an der Stelle des Zonenübergangs zwischen der Kollektorschicht 9 und
der Feldstoppschicht 24 ist nicht kleiner als 4 × 1016 cm-3. Die mittlere Donatorkonzentration in
der Feldstoppschicht 24 ist nicht kleiner als 1 × 1015 cm-3 und ist nicht kleiner als das 15fache
der Donatorkonzentration in der Basisschicht 2. Die Dosis in die Feldstoppschicht liegt im Bereich
zwischen 3 × 1011 cm-2 und 1 × 1012 cm-2. Schließlich ist die Spannung, bei der die Feldstopp
schicht 24 und die Basisschicht 2 bei 25°C ein Durchgreifen erleiden, entweder höher als das
1,54fache der am pn-Übergang durch Lawinendurchbruch bestimmten Spannung oder niedriger
als das 0,84fache der letztgenannten Spannung. Die Gründe für diese zahlenmäßigen Beschrän
kungen sind gleich wie die im Hinblick auf den IGBT von Fig. 1 unter Bezug auf die Fig. 2 bis 10
beschriebenen Gründe.
Nun wird ein Herstellungsprozeß eines IGBTs mit dem in Fig. 17 gezeigten Aufbau unter Bezug
auf die Fig. 18 bis 23 beschrieben. Zuerst werden Borionen zur Bildung einer Kanaldiffusionszone
3 in eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 1 implantiert, der aus einem FZ-Wafer mit einem
spezifischen Widerstand von beispielsweise 60 Ωcm gebildet ist. Dann wird ein Trench durch
Fotolithografie und Ätzen gebildet. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 18
gezeigt. Dann wird ein Gate-Isolierfilm 6 niedergeschlagen. Auf diesem Isolierfilm wird polykri
stallines Silicium zur Bildung einer Gate-Elektrode 7 niedergeschlagen. Der Gate-Isolierfilm und
das polykristalline Silicium außerhalb des Trenches werden entfernt, wobei der Gate-Isolierfilm 6
und die Gate-Elektrode 7 im Trench verbleiben.
Dann wird Fotoresist aufgebracht, und durch Musterung werden in den Bereichen entsprechend
der Emitterdiffusionszone 4 Fenster freigelegt. Arsenionen werden unter Verwendung des Resists
32 als Maske in die Kanaldiffusionszone 3 implantiert. Der Querschnitt in diesem Stadium ist in
Fig. 19 gezeigt. Nach dem Entfernen des Fotoresists 32 wird eine Wärmebehandlung ausgeführt,
um die durch die Ionenimplantation verursachten Schäden zu beheben und die implantierten Ionen
zu aktivieren, wodurch die Kanaldiffusionszone 3 und die Emitterdiffusionszone 4 gebildet
werden. Dann wird ein Isolierfilm 8 gebildet. Durch teilweises Ätzen des Isolierfilms 8 werden die
Kanaldiffusionszone 3 und ein Teil der Emitterdiffusionszone 4 freigelegt, während die Gate-
Elektrode 7 bedeckt bleibt. Dann wird hierauf eine Emitterelektrode 5 niedergeschlagen. Der
Querschnitt in diesem Stadium ist in Fig. 20 gezeigt.
Der Herstellungsprozeß nach diesem Schritt ist gleich wie bei einem IGBT mit der früher be
schriebenen planaren Gate-Struktur. Nach dem Polieren der Wafer auf eine Dicke von 120 µm
werden nämlich Phosphorionen zum Bilden einer Feldstoppschicht 24 implantiert. Danach werden
Borionen zum Bilden einer Kollektorschicht 9 implantiert, wie in Fig. 22 gezeigt. Danach wird eine
Wärmebehandlung zur Bildung der Feldstoppschicht 24 und der Kollektorschicht 9 ausgeführt,
wie in Fig. 23 gezeigt. Schließlich wird eine Kollektorelektrode 10 auf der Kollektorschicht 9
niedergeschlagen, um dadurch einen IGBT mit dem in Fig. 17 gezeigten Aufbau fertigzustellen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Feldstoppschicht 24 an
einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats gebildet, wobei die Tiefe nicht größer als 3 µm ist,
was die maximale Tiefe darstellt, die innerhalb der Energiegrenze der Ionenimplantation praktisch
erzielbar ist. Dies bedeutet, daß die Feldstoppschicht 24 mittels Ionenimplantation gebildet
werden kann. Daher kann der erfindungsgemäße IGBT unter Verwendung eines kostengünstigen
Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers wie bei einem Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT mit
hohen Ausbeuten hergestellt werden. Das Vorsehen der Feldstoppschicht ermöglicht es des
weiteren, daß die Basisschicht 2 so dünn wie bei einem Durchgreifspannungs-IGBT ist, wodurch
die Verluste reduziert werden. Kurz gesagt kann der erfindungsgemäße IGBT zu gleich niedrigen
Kosten wie ein Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT und mit gleich niedrigen Verlusten wie ein
Durchgreifspannungs-IGBT hergestellt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Tiefe der Feldstoppschicht
24 nicht größer als 3 µm, und die Kollektorschicht 9 liegt weniger tief als die Feldstoppschicht
24. Demzufolge ist die Menge an Ladungsträgern, die in der Basisschicht 2, der Feldstoppschicht
24 und der Kollektorschicht 9 gespeichert sind, insignifikant. Als Folge wird eine ideale Aus
schaltwellenform erzielt, wie in Fig. 24 gezeigt.
Fig. 24 zeigt die Ausschaltwellenformen, die durch Simulationen für drei IGBTs mit dem gleichen
Durchlaßspannungsabfall gewonnen wurden. Die IGBTs sind: (1) eine Ausführungsform der
Erfindung, die mit einer Feldstoppschicht 24 versehen ist, (2) ein herkömmlicher Nicht-Durch
greifspannungs-IGBT, und (3) ein herkömmlicher Durchgreifspannungs-IGBT. Der IGBT von (2)
weist einen niedrigen, jedoch lange andauernden Schwanzstrom auf, weil diese Art von IGBT
eine dicke Basisschicht aufweist, die eine große Menge an Ladungsträgern speichert. Der IGBT
von (3) weist aufgrund der in der Pufferschicht und der Kollektorschicht gespeicherten Ladungs
träger einen großen Schwanzstrom auf. Im Gegensatz dazu sind beim IGBT von (1) gemäß der
Erfindung die Nachteile der IGBTs von (2) und (3) beseitigt, weshalb ersterer einen unbedeuten
den Schwanzstrom und eine ideale Ausschaltwellenform aufweist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen speziellen Formen beschränkt. Der jeweilige Aufbau
des Emitters und des Gates beispielsweise sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh
rungen beschränkt. Obwohl der Großteil der Beschreibung unter Bezug auf ein Beispiel eines
IGBTs mit einer Sperrspannung der 1200-V-Klasse erfolgte, kann die vorliegende Erfindung auch
auf alle anderen IGBTs mit Sperrspannungen von 500 V, 600 V, 900 V, 1400 V, 1700 V, 1800 V,
2000 V, 2500 V, 3300 V und andere Spannungsklassen angewendet werden. Unter die
Erfindung fallen alle Modifikationen und Äquivalente, die für Fachleute ersichtlich sind.
Bei einem erfindungsgemäßen IGBT ist eine Feldstoppschicht, die eine Dotierstoffdiffusions
schicht ist, im Bereich einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats gebildet, wobei deren Tiefe
nicht größer als 3 µm ist, was die maximale Tiefe darstellt, die innerhalb der Energiegrenze der
Ionenimplantation praktisch herstellbar ist. Das heißt, diese Dotierstoffdiffusionsschicht kann
mittels Ionenimplantation gebildet werden. Daher kann der erfindungsgemäße IGBT unter
Verwendung eines kostengünstigen Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers wie bei einem
Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT mit hohen Ausbeuten hergestellt werden.
Des weiteren ermöglicht es das Vorsehen der Feldstoppschicht, daß die Basisschicht so dünn wie
bei einem Durchgreifspannungs-IGBT gemacht wird, um einen IGBT mit reduzierten Verlusten zu
schaffen. Der erfindungsgemäße IGBT ist kostengünstig wie ein Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT
und weist so geringe Verluste auf wie ein Durchgreifspannungs-IGBT.
Claims (9)
1. Halbleiterbauelement, umfassend:
eine Basisschicht (2), die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat (1) gebildet ist, des sen spezifischer Widerstand in seiner Dickenrichtung homogen ist;
eine p-leitende Kanaldiffusionszone (3), eine n-leitende Emitterdiffusionszone (4), eine Emitterelektrode (5), einen Gate-Isolierfilm (6) und eine Gate-Elektrode (7), die bei einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet sind;
eine p-leitende Kollektorschicht (9) und eine Kollektorelektrode (10), die bei der zweiten Hauptfläche des Substrats gebildet sind; und
eine n-leitende Dotierstoffdiffusionsschicht (24), deren Dotierstoffkonzentration höher als die Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht (2) ist und die zwischen der Kollektorschicht und der Basisschicht vorgesehen ist, wobei die durch Xfs-Xj definierte Dicke der Dotierstoffdiffu sionsschicht (24) in einem Bereich von 0,5 µm bis 3 µm liegt, wobei Xfs die Stelle ist, an der die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffdiffusionsschicht das Doppelte der Dotierstoffkonzentra tion der Basisschicht beträgt, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen der Dotierstoffdif fusionsschicht und der Kollektorschicht ist.
eine Basisschicht (2), die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat (1) gebildet ist, des sen spezifischer Widerstand in seiner Dickenrichtung homogen ist;
eine p-leitende Kanaldiffusionszone (3), eine n-leitende Emitterdiffusionszone (4), eine Emitterelektrode (5), einen Gate-Isolierfilm (6) und eine Gate-Elektrode (7), die bei einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet sind;
eine p-leitende Kollektorschicht (9) und eine Kollektorelektrode (10), die bei der zweiten Hauptfläche des Substrats gebildet sind; und
eine n-leitende Dotierstoffdiffusionsschicht (24), deren Dotierstoffkonzentration höher als die Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht (2) ist und die zwischen der Kollektorschicht und der Basisschicht vorgesehen ist, wobei die durch Xfs-Xj definierte Dicke der Dotierstoffdiffu sionsschicht (24) in einem Bereich von 0,5 µm bis 3 µm liegt, wobei Xfs die Stelle ist, an der die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffdiffusionsschicht das Doppelte der Dotierstoffkonzentra tion der Basisschicht beträgt, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen der Dotierstoffdif fusionsschicht und der Kollektorschicht ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Spannung, bei der die Basis
schicht (2) vollständig verarmt wird, in einem Bereich vom 0,45fachen bis zum 0,7fachen einer
Sperrspannung des Halbleiterbauelements liegt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Spitzenwert (Ccp) der
Dotierstoffkonzentration der Kollektorschicht (9) größer als das 15fache des Spitzenwerts (Cfp)
der Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Dotierstoffkon
zentration an der Stelle des Zonenübergangs zwischen der Kollektorschicht (9) und der Dotier
stoffdiffusionsschicht (24) nicht weniger als 4 × 1016 cm-3 beträgt.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die mittlere Dotier
stoffkonzentration in der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) nicht weniger als 1 × 1015 cm-3 beträgt.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die mittlere Dotier
stoffkonzentration in der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) nicht weniger als das 15fache der
Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht (2) beträgt.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Dosis des Im
plantierens in die Dotierstoffdiffusionsschicht (24) in einem Bereich zwischen 3 × 1011 cm-2 und
1 × 1012 cm-2 liegt.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Spannung, bei
der die Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und die Basisschicht (2) bei 25°C ein Durchgreifen
erleiden, nicht niedriger als das 1,54fache der Spannung ist, die durch Lawinendurchbruch eines
bei der ersten Hauptfläche des Halbleiterbauelements vorhandenen pn-Übergangs bestimmt ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Spannung, bei
der die Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und die Basisschicht (2) bei 25°C ein Durchgreifen
erleiden, nicht größer als das 0,84fache der Spannung ist, die durch Lawinendurchbruch eines bei
der ersten Hauptfläche des Halbleiterbauelements vorhandenen pn-Übergangs bestimmt ist.
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