DE10205324B4

DE10205324B4 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10205324B4
Application number: DE10205324A
Authority: DE
Inventors: Masahito Otsuki; Seiji Momota; Mitsuaki Kirisawa; Takashi Yoshimura
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: US6621120B2; DE10205324A1; US20020121660A1

Abstract

Halbleiterbauelement, umfassend: eine Basisschicht (2), die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat (1) gebildet ist, dessen 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 an einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet sind; eine p-leitende Kollektorschicht (9) und eine Kollektorelektrode (10), die an 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 Dotierstoffdiffusionsschicht (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 Dotierstoffkonzentration der Basisschicht beträgt, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und der Kollektorschicht (9) ist,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, das einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) bildet.
Als IGBTs sind Bauelemente mit planaren Gate-Strukturen wie die beispielsweise in 25 und 26 gezeigten und Bauelemente mit Trench-Gate-Strukturen wie die beispielsweise in 27 und 28 gezeigten bekannt. Ein in 25 oder 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 26 und 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 Verarmungsschicht 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.
Ein Halbleiterbauelement mit einer Basisschicht, die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat gebildet ist, dessen spezifischer Widerstand in seiner Dickenrichtung homogen ist, einer p-leitenden Kanaldiffusionszone, einer n-leitenden Emitterdiffusionszone, einer Emitterelektrode, einem Gate-Isolierfilm und einer Gate-Elektrode, die an einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet sind, einer p-leitenden Kollektorschicht und einer Kollektorelektrode, die an der zweiten Hauptfläche des Substrats gebildet sind, einer n-leitenden Dotierstoffdiffusionsschicht, deren Dotierstoffkonzentration höher als die Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht ist und die zwischen der Kollektorschicht und der Basisschicht vorgesehen ist, wobei die Dicke der Dotierstoffdiffusionsschicht in einem Bereich von 0,1 μm bis 2 μm liegt, ist aus der DE 197 31 495 A1 bekannt.
Aus der EP 0 633 611 A1 ist ein als IGBT bezeichnetes Bauelement mit von der einen Substratseite ausgehendem Trench-Gate bekannt. Auf einem als Kollektorschicht dienenden monokristallinem p-leitenden Substrat befinden sich in dieser Reihenfolge eine n-leitende Pufferschicht und eine n-leitende Basisschicht. Die Dotierstoffkonzentration der Pufferschicht beträgt das 1000-fache derjenigen der Basisschicht. Bei diesem Stand der Technik handelt es sich von der Funktion her nicht im eigentlichen Sinn um einen IGBT, sondern vielmehr um einen abschaltbaren Thyristor, der von einem Bipolartransistor gesteuert wird.
Aus der US 5,360,983 A ist IGBT bekannt, dessen Aufbau ähnlich dem aus der DE 197 31 495 A1 bekannten ist. Bei der US 5,360,983 A sind die Basisschicht und eine der Dotierstoffdiffusionsschicht entsprechende Pufferschicht beide als Epitaxialschicht ausgebildet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen IGBT, zu schaffen, der mit hoher Ausbeute unter Verwendung eines kostengünstigen 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 Ausschalten gestoppt wird, und die zwischen einer Kollektorschicht und einer Basisschicht als Feldstoppschicht 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 Ionenimplantation 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 IGBTs und/oder ein Versagen bzw. eine Fehlfunktion des den IGBT enthaltenden Systems verursachen kann. Andererseits kann, wenn die untere Grenze überschritten 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 soll größer als das 15fache des Spitzenwerts der Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht sein. Wenn er dies nicht ist, überschreitet die Durchlaßspannung 3 V, was nicht praktisch ist.
Die Dotierstoffkonzentration am Zonenübergang zwischen der Kollektorschicht und der Feldstoppschicht ist vorzugsweise nicht größer 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 soll nicht geringer als 1 × 10¹⁵ cm^–3 sein und vorzugsweise nicht geringer als das 15fache der Donatorkonzentration der Basisschicht. Bei einem IGBT, dessen Basisschicht beispielsweise 600 V standhalten kann, kann die Feldstoppschicht 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 Donatorkonzentration 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 Feidstoppschicht 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 nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Diagramm, das ein Dotierstoffprofil nahe der Kollektorschicht des in 1 dargestellten IGBTs zeigt;
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;
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;
5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Durchlaßspannung von dem Ccp/Cfp eines IGBTs zeigt;
6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und der Durchbruchspannung an einem pn-Übergang zeigt;
7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mittleren Donatorkonzentration einer Feldstoppschicht und der Dicke der Schicht zeigt;
8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dosis in einer Feldstoppschicht und der Sperrspannung eines IGBTs zeigt;
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;
10 ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus und die Temperaturabhängigkeit der Sperrspannung VB im Lawinendurchbruchmodus zeigt;
11 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
12 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
13 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
14 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
15 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
16 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines IGBTs mit dem in 1 gezeigten Aufbau darstellt;
17 eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
18 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
19 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
20 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
21 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
22 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
23 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau in einem Stadium während eines Herstellungsprozesses eines in 17 gezeigten IGBTs darstellt;
24 ein Diagramm, das Ausschaltwellenformen zeigt, die durch Simulationen für einen IGBT einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zwei herkömmliche IGBTs gewonnen wurden, wobei alle IGBTs den gleichen Durchlaßspannungsabfall aufweisen;
25 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen IGBTs;
26 eine Querschnittsansicht eines anderen herkömmlichen IGBTs;
27 eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen IGBTs; und
28 eine Querschnittsansicht eines anderen herkömmlichen IGBTs.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements. 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 Emitterdiffusionszone 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.
2 zeigt ein Dotierstoffprofil nahe der Kollektorschicht 9 des IGBTs mit dem in 1 dargestellten Aufbau. In 2 bezeichnen Cb, Ccp und Cfp die Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht 2, die Spitzendotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 bzw. die Spitzendotierstoffkonzentration 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 1 gezeigten IGBT verwendet werden. Der Wert dieser Dicke liegt im Bereich von 0,5 μm bis 3 μm. Da bei dieser Ausführungsform 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, vorausgesetzt die Variation des spezifischen Widerstands in der Dickenrichtung liegt innerhalb von ±20%. Wenn der spezifische Widerstand des Wafers 60 Ωcm beträgt, beträgt der spezifische Widerstand 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 BVice 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 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 Sperrt spannungsklasse von beispielsweise 1200 V verwendenden Gleichrichter beträgt der Gleichgewichtswert der Kollektorspannung etwa 600 V. Die Kollektorspannung kann jedoch in einer speziellen Betriebsbedingung auf 800 V ansteigen.
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. BVice 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 4 nicht kleiner sein als 0,45, das heißt, Vpt ist größer oder gleich dem 0,45fachen von BVice. 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 BVice.
Der Spitzenwert Ccp der Dotierstoffkonzentration der Kollektorschicht 9 ist mehr als das 15fache des Spitzenwerts Cfp der Dotierstoffkonzentration der Feldstoppschicht 24. Der Grund hierfür wird nachstehend beschrieben. 5 zeigt die Abhängigkeit der Durchlaßspannung von Ccp/Cfp eines IGBTs. Wie in 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 mehr als 4 × 10¹⁸ 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 Rückwärtssperrspannung 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 × 10¹⁸ cm^–3 erforderlich, wie aus dem Diagramm von 6 bekannt ist, das die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und der Durchbruchspannung 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 nicht geringer als 1 × 10¹⁵ cm^–3. Der Grund ist hierfür ist der folgende. 7 zeigt die Abhängigkeit der mittleren Donatorkonzentration 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 Feldstoppschicht 24 mittels Ionenimplantation aufgrund der Begrenzung der Ionenimplantationsenergie 3 um. Somit ist aus 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 spezfischen Widerstand von 60 Ωcm aufweisenden Basisschicht 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 Donatorkonzentration von 1 × 10¹⁵ cm^–3 der Feldstoppschicht 24 durch folgende Berechnung ermittelt: 1 × 10¹⁵cm^–3 × 3 × 10^–4 cm = 3 × 10¹¹ cm^–2.
Wie aus 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 Lawinendurchbruch 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. 8 zeigt die Abhängigkeit der Sperrspannung von der Dosis in der Feldstoppschicht 24 in einem IGBT mit dem in 1 gezeigten Aufbau.
Es gibt zwei Modi, bei einem IGBT von 1 die Sperrspannung zu bestimmen bzw. festzulegen: Einen Modus, bei dem die Basisschicht 2 und die Feldstoppschicht 24 das Durchgreifen erleiden (Linie A in 8), und einen Modus, bei dem der pn-Übergang einen Lawinendurchbruch erleidet (Linie B in 8). Die Sperrspannung im Durchgreifmodus ist durch die Dosis der Feldstoppschicht 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 Lawinendurchbruchmodus ist durch die Konzentration und die Breite der Basisschicht 2 und der Oberflächenstruktur bestimmt. Der tatsächliche Wert der Sperrspannung ist durch die kleineren der beiden Sperrspannungen im Durchgreifmodus und im Lawinendurchbruchmodus bestimmt, wie in 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 8, ist die Lawinendurchbruchspannung des IGBTs sehr klein. Wenn sich ein den IGBT bildender pnp-Transistor in dem Zustand unmittelbar vor dem Durchgreifen befindet, Ist die Basiszone des pnp-Transistors extrem eng bzw. schmal. Die Minoritätsladungsträger, 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 Lawinendurchbruchmodus 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 1 mit verschiedenen Werten der Sperrspannung VA im Durchgreifmodus und der Sperrspannung VB im Lawinendurchbruchmodus wurden hergestellt. Bei diesen IGBTs wurden die Versagensraten ermittelt. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt. Wie aus 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 10 gezeigt. 10 zeigt, daß der Koeffizient der Temperaturabhängigkeit 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 Temperaturbereich 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)])
Somit gilt 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, das 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)]}
Somit gilt 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 1 gezeigten Aufbau unter Bezug auf die 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 niedergeschlagen. 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 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 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 Kanaldiffusionszone 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 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 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 15 gezeigt.
Danach wird eine Wärmebehandlung bei etwa 400°C ausgeführt, um die durch die Ionenimplantation 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 1 hergestellt. Der Teil der Kollektorelektrode, der in Kontakt mit der Kollektorschicht 9 steht, ist beispielsweise aus Aluminium oder Platin gebildet.
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 Emitterdiffusionszone 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 Feldstoppschicht 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 17 gezeigte IGBT unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten IGBT nur dahingehend, daß der IGBT von 17 eine Trench-Gate-Struktur aufweist, während der IGBT von 1 eine planare Gate-Struktur aufweist. Somit beträgt im IGBT von 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 Feldstoppschicht 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 Beschränkungen sind gleich wie die im Hinblick auf den IGBT von 1 unter Bezug auf die 2 bis 10 beschriebenen Gründe.
Nun wird ein Herstellungsprozeß eines IGBTs mit dem in 17 gezeigten Aufbau unter Bezug auf die 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 18 gezeigt. Dann wird ein Gate-Isolierfilm 6 niedergeschlagen. Auf diesem Isolierfilm wird polykristallines 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 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 20 gezeigt.
Der Herstellungsprozeß nach diesem Schritt ist gleich wie bei einem IGBT mit der früher beschriebenen 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 22 gezeigt. Danach wird eine Wärmebehandlung zur Bildung der Feldstoppschicht 24 und der Kollektorschicht 9 ausgeführt, wie in 23 gezeigt. Schließlich wird eine Kollektorelektrode 10 auf der Kollektorschicht 9 niedergeschlagen, um dadurch einen IGBT mit dem in 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 Ausschaltwellenform erzielt, wie in 24 gezeigt.
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) am 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 Ladungsträger 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 unbedeutenden 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 Ausführungen 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.
Sei einem erfindungsgemäßen IGBT ist eine Feldstoppschicht, die eine Dotierstoffdiffusionsschicht 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. Des 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

Halbleiterbauelement, umfassend: eine Basisschicht (2), die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat (1) gebildet ist, dessen 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 an einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet sind; eine p-leitende Kollektorschicht (9) und eine Kollektorelektrode (10), die an 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 Dotierstoffdiffusionsschicht (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 Dotierstoffkonzentration der Basisschicht beträgt, und Xj die Stelle des Zonenübergangs zwischen der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und der Kollektorschicht (9) ist, wobei die Spannung, bei der die Basisschicht (2) vollständig verarmt wird, in einem Bereich vom 0,45-fachen bis zum 0,7-fachen der Sperrspannung des Halbleiterbauelements liegt, wobei der der Spitzenwert (Ccp) der Dotierstoffkonzentration der Kollektorschicht (9) größer als das 15-fache des Spitzenwerts (Cfp) der Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) ist, und wobei die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) nicht weniger als 1 × 10¹⁵ cm^–3 beträgt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dotierstoffkonzentration an der Stelle des Zonenübergangs zwischen der Kollektorschicht (9) und der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) nicht mehr als 4 × 10¹⁶ cm^–3 beträgt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) nicht weniger als das 15-fache der Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht (2) beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spannung, bei der die Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und die Basisschicht (2) bei 25°C ein Durchgreifen erleiden, nicht niedriger als das 1,54-fache der Spannung ist, die durch Lawinendurchbruch eines an der ersten Hauptfläche des Halbleiterbauelements vorhandenen pn-Übergangs bestimmt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spannung, bei der die Dotierstoffdiffusionsschicht (24) und die Basisschicht (2) bei 25°C ein Durchgreifen erleiden, nicht großer als das 0,84-fache der Spannung ist, die durch Lawinendurchbruch eines an der ersten Hauptfläche des Halbleiterbauelements vorhandenen pn-Übergangs bestimmt ist.