DE112013006905B4 - IGBT mit Verwendung einer Grabengateelektrode - Google Patents

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Abstract

IGBT (30) mit einem Halbleitersubstrat (2); einer Emitterelektrode (24), die auf einer vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) gebildet ist; und einer Kollektorelektrode (26), die auf einer hinteren Oberfläche (2b) des Halbleitersubstrats (2) gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat (2) aufweist: einen Emitterbereich (10), der an der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt; einen Kollektorbereich (22), der an der hinteren Oberfläche (2b) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt, einen Körperbereich (12), der in Kontakt mit dem Emitterbereich (10) steht und sich tiefer erstreckt als der Emitterbereich (10); einen Driftbereich (20), der den Körperbereich (12) und den Kollektorbereich (22) trennt; und einen Körperkontaktbereich (8), der an der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt, wobei das Halbleitersubstrat (2) gebildet ist mit: einem Graben (14), der sich von der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) erstreckt und den Driftbereich (20) erreicht; einer Gateisolationsschicht (16), die eine Wand des Grabens (14) bedeckt; und einer Grabengateelektrode (18), die in den Graben (14) gefüllt ist, wobei die Grabengateelektrode (18) der Emitterelektrode (10), dem Körperbereich (12) und dem Driftbereich (20) in dieser Reihenfolge über die Gateisolationsschicht (16) zugewandt ist, der Emitterbereich (10) und der Körperkontaktbereich (8) so konfiguriert sind, dass sie elektrisch mit der Emitterelektrode (24) verbunden sind, die Grabengateelektrode (18) von der Emitterelektrode (24) isoliert ist, der Kollektorbereich (22) so konfiguriert ist, dass er elektrisch mit der Kollektorelektrode (26) verbunden ist, die Grabengateelektrode (18) gebogen ist, wenn das Halbleitersubstrat (2) in einer Aufsicht gesehen wird, ein innerer Halbleiterbereich (6) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Emitterbereich (10) an einer Position innerhalb eines gebogenen Abschnitts der ...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Spezifikation offenbart eine Technologie bzgl. eines IGBTs, der eine Grabengateelektrode verwendet.
  • STAND DER TECHNIK
  • Patentdokument 1 offenbart einen IGBT mit Grabengateelektroden, die gebogen sind, wenn ein Halbleitersubstrat in einer Aufsicht gesehen wird. Mit den gebogenen Grabengateelektroden wächst verglichen mit sich linear erstreckenden Grabengateelektroden eine Lochdichte in einem Driftbereich, der innerhalb der Grabenabschnitte positioniert ist, was ein Leitfähigkeitsmodulationsphänomen beschleunigt und eine Einschaltspannung des IGBTs verringert. Es wird bemerkt, dass Patentdokument 1 nicht zu der Zeit, zu der die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, veröffentlicht war.
  • In IGBTs muss abgesehen von einer niedrigen Einschaltspannung ein Strom zwischen einem Emitter und einem Kollektor abgeschaltet werden, wenn eine Spannung an der Grabengateelektrode in eine Ausschaltzustandspannung geschaltet wird. Ein Phänomen, bei dem ein Strom weiterhin zwischen dem Emitter und dem Kollektor fließt, selbst nachdem die Spannung an der Grabengateelektrode in die Ausschaltzustandspannung geschaltet ist, wird im Weiteren als ein "Einrasten" ("latchup") bezeichnet. Es ist nötig, dass ein Einrasten nicht in IGBTs auftreten sollte.
  • Einschlägiger Stand der Technik dazu kann beispielsweise in der Druckschrift WO 2012/120359 A2 aufgefunden werden, welche ein IGBT, in dem sich Gräben in einer gekrümmten Form erstrecken offenbart.
  • REFERENZEN
  • PATENTDOKUMENT
    • Patentdokument 1: Spezifikation und Zeichnungen, die der japanischen Patentanmeldung JP 2012-190 938 A beigefügt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Um ein Einrasten in einem IGBT zu verhindern, wurde ein Design angewendet, das einen gesättigten Strom reduziert, damit es Löchern ermöglicht wird, einfach zu einer Emitterelektrode während eines Ausschaltens zu entkommen.
  • Wenn eine oben erwähnte Grabengateelektrode, d.h., eine gebogene Grabengateelektrode verwendet wird, wird eine Stromdichte ansteigen und das Einrastphänomen wird eher auftreten. Eine neue Technik zum Verhindern des Einrastens ist nötig, um eine praktische Verwendung einer Technologie zu ermöglichen, um eine Einschaltspannung durch die Verwendung von einer gebogenen Grabengateelektrode zu reduzieren. Es ist nämlich eine neue Technik dazu erforderlich, es Löchern zu ermöglichen, schnell zu der Emitterelektrode während des Ausschaltens zu entkommen.
  • Diese Spezifikation offenbart eine Konfiguration, die es Löchern ermöglicht, schnell zu einer Emitterelektrode während eines Ausschaltens in einem IGBT zu entkommen, der eine gebogene Grabengateelektrode verwendet, und offenbart dadurch eine Technik, um das Einrasten zu verhindern. Diese Technik ermöglicht die Verwendung der gebogenen Grabengateelektrode, während das Einrasten verhindert wird, und verringert die Einschaltspannung des IGBTs.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • In einem in dieser Spezifikation offenbarten IGBT ist eine Grabengateelektrode gebogen, wenn eine vordere Oberfläche eines Halbleitersubstrats in einer Aufsicht angeschaut wird. Ein Halbleiterbereich (im Weiteren als ein "innerer Halbleiterbereich" bezeichnet) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie ein Emitterbereich (d.h. eines Leitfähigkeitstyps, der entgegengesetzt von dem einer Basis oder eines Körperbereichs ist), ist an einer Position innerhalb eines gebogenen Abschnitts der Grabengateelektrode gebildet und liegt an der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats außen, und der innere Halbleiterbereich ist in einem Fließzustand ("Floating State"). Das heißt, der innere Halbleiterbereich ist nicht so konfiguriert, dass er elektrisch mit irgendeiner der Emitterelektrode, der Grabengateelektrode und einer Kollektorelektrode verbunden ist.
  • Wenn eine Spannung der Grabengateelektrode des IGBTs in einer Ausschaltzustandsspannung geschaltet wird, bewegen sich Löcher, die in einem Drift- oder Bulkbereich (im Weiteren als "Driftbereich" bezeichnet) akkumuliert sind, entlang der Grabengateelektrode durch den Körper oder Basisbereich (im Weiteren als "Körperbereich" bezeichnet) und entkommen von einem Köperkontaktbereich zu der Emitterelektrode. Weil der Körperbereich eine Konzentration an Verunreinigungen haben muss, die die Bildung einer invertierten Schicht ermöglicht, wenn eine Einschaltspannung an die Grabengateelektrode angelegt wird, hat er eine niedrige Konzentration an Verunreinigungen, und deswegen können die Löcher kaum durch ihn hindurchfließen (im Weiteren kann der Körperbereich manchmal als ein "Niedrigkonzentrationskörperbereich" bezeichnet werden, um ihn von dem Körperkontaktbereich zu unterscheiden. Sie sind das Gleiche).
  • Ohne ein Bereitstellen des inneren Halbleiterbereichs in dem oben erwähnten Fließzustand wird ein Bewegungsabstand der Löcher durch die Hochwiderstands- und Niedrigkonzentrationskörperbereiche während eines Ausschaltens lang, sodass die Löcher nicht schnell zu der Emitterelektrode entkommen können. Im Gegensatz dazu wird durch das Bereitstellen des inneren Halbleiterbereichs und dadurch, dass der innere Halbleiterbereich in einem Fließzustand ist, der Bewegungsabstand der Löcher durch den Hochwiderstands- und Niedrigkonzentrationskörperbereich während des Ausschaltens kurz, sodass die Löcher schnell zu der Emitterelektrode entkommen können. Durch Anwenden dieser Konfiguration wird nicht nur die Stromdichte während eines Betriebs auf Grund des Biegens der Grabengateelektrode erhöht, sondern es kann auch das Einrastphänomen verhindert werden.
  • Der innere Halbleiterbereich und der Emitterbereich können bevorzugt aus der gleichen Zusammensetzung gemacht werden. Dies ermöglicht die Bildung des inneren Halbleiterbereichs während eines Prozesses zum Bilden des Emitterbereichs.
  • Eine Konfiguration, in der eine Zwischenlagenisolationsschicht, die eine obere Oberfläche der Grabengateelektrode bedeckt und die Grabengateelektrode von der Emitterelektrode isoliert, ist bekannt. Diese Zwischenlagenisolationsschicht kann bevorzugt bis zu einer Oberfläche des inneren Halbleiterbereichs ausgedehnt werden. Dadurch isoliert die Zwischenlagenisolationsschicht den inneren Halbleiterbereich von der Emitterelektrode. Auf diese Weise können die inneren Halbleiterbereiche in dem Fließzustand gehalten werden, ohne die Anzahl an Produktionsprozessschritten zu erhöhen.
  • Es ist vorteilhaft, dass die Grabengateelektrode an einer Vielzahl von Orten gebogen wird, um die Einschaltspannung zu reduzieren. Aus diesem Grund kann die Grabengateelektrode bevorzugt in einem Muster von verbundenen T-Formen gebildet werden. Dadurch können die gebogenen Abschnitte gleichmäßig über eine weite Fläche des Halbleitersubstrats verteilt werden.
  • Der Körperkontaktbereich kann in der Aufsicht auf das Halbleitersubstrat von dem inneren Halbleiterbereich durch den Körperbereich getrennt sein, und auch der Körperkontaktbereich kann von der Gateisolationsschicht durch den Körperbereich getrennt sein. In einem IGBT müssen der Emitterbereich und die Grabengateelektrode einander über die Gateisolationsschicht zugewandt sein. Der Emitterbereich und die Grabengateelektroden müssen mit Verunreinigungen dotiert sein, um einen Widerstand zu reduzieren. Wenn die zwei benachbarten Bereiche mit Verunreinigungen von verschiedenen Leitfähigkeitstypen dotiert sind, wird es eine Variation in einer effektiven Verunreinigungskonzentration auf Grund der Variationen in den Gebieten geben, die mit Verunreinigungen dotiert sind, was Variationen in Eigenschaften zwischen den in Massen produzierten Halbleitereinrichtungen verursacht. Deswegen können der Emitterbereich und die Grabengateelektrode bevorzugt mit Verunreinigungen des gleichen Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Folglich wird der Leitfähigkeitstyp der Grabengateelektrode entgegengesetzt zu dem des Körperkontaktbereichs sein. Wenn der Körperkontaktbereich an Positionen bereitgestellt werden kann, die den Grabengateelektroden über die Gateisolationsschicht zugewandt sind, können die Löcher sogar besser während des Ausschaltens entkommen und das Einrastphänomen kann verhindert werden. Um das zu machen, ist es jedoch nötig, zwei benachbarte Bereiche mit Verunreinigungen von verschiedenen Leitfähigkeitstypen zu dotieren, was Variationen in den Eigenschaften von in Massen produzierten Halbleitereinrichtungen verursachen kann. In einer Konfiguration, in der in einer Aufsicht auf das Halbleitersubstrat der Körperkontaktbereich von dem inneren Halbleiterbereich durch den Körperbereich getrennt ist, oder in einer Konfiguration, in der der Körperkontaktbereich von der Gateisolationsschicht durch den Körperbereich getrennt ist, gibt es keinen Bedarf, zwei benachbarte Bereiche mit Verunreinigungen von verschiedenen Leitfähigkeitstypen zu dotieren. Mit der Technologie, bei der der innere Halbleiterbereich zu der Konfiguration hinzugefügt wird, in der der Körperkontaktbereich von der Gateisolationsschicht durch den Körperbereich getrennt ist, ist es möglich, Halbleitereinrichtungen mit der niedrigen Einschaltspannung in Massen mit geringen Eigenschaftsvariationen zu produzieren, und in denen das Einrasten kaum auftreten kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm eines Halbleitersubstrats eines IGBTs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in einer Aufsicht angesehen wird, wobei eine Fläche X eine Aufsicht illustriert, in der Emitterelektroden und eine Zwischenlagenisolationsschicht entfernt sind, und eine Fläche Y eine Aufsicht illustriert, in der die Emitterelektroden entfernt sind.
  • 2(1) ist eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II von 1, und 2(2) ist eine Querschnittsansicht eines existierenden IGBTs.
  • 3 ist ein Diagramm eines Halbleitersubstrats eines IGBTs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in der Aufsicht gesehen wird.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV von 3.
  • 5 ist ein Diagramm eines Halbleitersubstrats eines IGBTs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, das in einer Aufsicht gesehen wird.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Muster 1 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Muster 2 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Muster 3 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 9 ist ein Diagramm, das ein Muster 4 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 10 ist ein Diagramm, das ein Muster 5 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 11 ist ein Diagramm, das ein Muster 6 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 12 ist ein Diagramm, das ein Muster 7 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 13 ist ein Diagramm, das ein Muster 8 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • 14 ist ein Diagramm, das ein Muster 9 von gebogenen Grabengateelektroden illustriert.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • (ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL)
  • 1 ist ein Diagramm eines Halbleitersubstrats 2 eines IGBTs 30 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in einer Aufsicht gesehen wird, und 2(1) ist eine Querschnittsansicht entlang Linie II-II von 1. In 1 zeigt eine Fläche X eine Aufsicht, in der die Emitterelektroden und die Zwischenlagenisolationsschicht entfernt sind, und eine Fläche Y zeigt eine Aufsicht, in der die Emitterelektroden entfernt sind. Dies gilt auch für 3 und 5. Der IGBT 30 enthält das Halbleitersubstrat 2, die Emitterelektrode 24, die auf einer vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 gebildet ist, und eine Kollektorelektrode 26, die auf einer hinteren Oberfläche 2b des Halbleitersubstrats 2 gebildet ist. Die Emitterelektrode 24 und Kollektorelektrode 26 sind aus einem Metall gemacht.
  • Die folgenden Bereiche sind in dem Halbleitersubstrat 2 gebildet:
    Emitterbereich 10: Er ist so lokalisiert, dass er an einer Fläche der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 außen liegt. Er ist mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen des N-Typs dotiert und in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 24.
  • Körperkontaktbereich 8: Er ist so lokalisiert, dass er an einer Fläche der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 außen liegt. Er ist mit einer hohen Konzentration einer Verunreinigung des P-Typs dotiert und in ohmschen Kontakt mit der Emitterelektrode 24. Während er manchmal als "Basiskontaktbereich" bezeichnet wird, wird er hierin als ein "Körperkontaktbereich" bezeichnet. Der Emitterbereich 10 liegt an einer anderen Fläche der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 als der Fläche der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 außen, an der der Körperkontaktbereich 8 außen liegt.
  • Innerer Halbleiterbereich 6: Er ist mit der gleichen Zusammensetzung und mit der gleichen Tiefe wie der Emitterbereich 10 gebildet. Wie in 1 gezeigt, ist er an einer Position innerhalb eines gebogenen Abschnitts einer Grabengateelektrode 18, die später zu beschreiben ist, gebildet und liegt an einer Fläche der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 außen.
  • Körperbereich 12: Er ist in Kontakt mit dem Emitterbereich 10, Körperkontaktbereichen 8, und inneren Halbleiterbereichen 6 und erstreckt sich tiefer als diese Bereiche 10, 8 und 6. Er ist mit einer niedrigen Konzentration der Verunreinigung des P-Typs dotiert. Während er manchmal „Basisbereich“ genannt wird, wird er hierin als „Körperbereich“ bezeichnet. Der Körperbereich 12 ist der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 in Flächen zugewandt, an denen der Emitterbereich 10, Körperkontaktbereich 8 und innerer Halbleiterbereich 6 nicht gebildet sind.
  • Driftbereich 20: Er trennt den Körperbereich 12 von einem Kollektorbereich 22, der später zu beschreiben ist. Er ist ein Bereich des Halbleitersubstrats 2, der mit einer niedrigen Konzentration der Verunreinigung des N-Typs dotiert ist und unbearbeitet gelassen ist, und wird manchmal ein „Bulkbereich“ genannt. Er wird im Weiteren als „Driftbereich“ bezeichnet.
  • Kollektorbereich 22: Er ist so lokalisiert, dass er an der hinteren Oberfläche 2b des Halbleitersubstrats 2 außen liegt. Er ist mit einer hohen Konzentration der Verunreinigung des P-Typs dotiert und in ohmschem Kontakt mit der Kollektorelektrode 26.
  • Graben 14 ist so gebildet, dass er sich in einer Tiefenrichtung von der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 erstreckt. Der Graben 14 erstreckt sich von der vorderen Oberfläche 2a durch den Körperbereich 12 und erreicht den Driftbereich 20. Der Graben 14 ist in einem Muster gebildet, in dem T-Formen, die eine Einheit bilden (siehe Grabenabschnitte 14a, 14b und 14c) sowohl in X- als auch in Y-Richtung verbunden sind, wenn das Halbleitersubstrat 2 in der Aufsicht gesehen wird. Wenn z.B. die Grabenabschnitte 14a und 14c angesehen werden, kann gesehen werden, dass der Graben 14 gebogen ist. Es kann gesagt werden, dass ein Punkt, der mit Bezugszeichen 32 bezeichnet ist, innerhalb eines gebogenen Abschnitts lokalisiert ist. Entsprechend kann gesagt werden, dass ein Punkt, der durch Bezugszeichen 34 bezeichnet wird, innerhalb eines gebogenen Abschnitts zwischen den Grabenabschnitten 14b und 14c lokalisiert ist, dass ein Punkt, der durch Bezugszeichen 36 bezeichnet ist, innerhalb eines gebogenen Abschnitts zwischen den Grabenabschnitten 14d und 14c lokalisiert ist, und dass ein Punkt, der durch Bezugszeichen 38 bezeichnet ist, innerhalb eines gebogenen Abschnitts zwischen den Grabenabschnitten 14e und 14c lokalisiert ist. Die Grabenabschnitte 14b, 14c, 14e und 14f bilden eine rechtwinklige Fläche. Es kann auch gesagt werden, dass jede rechtwinklige Fläche eine Einheit des IGBTs 30 bildet. Deswegen wird jede rechtwinklige Fläche hierin als eine „Zelle“ bezeichnet. Eine Zelle hat vier Spitzen und der innere Halbleiterbereich 6 ist an jeder Spitze gebildet.
  • Die Seitenwand und die untere Oberfläche (gemeinsam als eine „Wandoberfläche“ bezeichnet) des Grabens 14 sind mit einer Gateisolationsschicht 16 bedeckt. Die Grabengateelektrode 18 ist innerhalb der Schicht eingefüllt. Die Gateisolationsschicht 16 ist aus Siliziumoxid gemacht, während die Grabengateelektrode 18 aus Polysilizium gemacht ist, das mit Verunreinigungen dotiert ist.
  • An Punkten, die durch Bezugszeichen 10a in 1 gekennzeichnet sind, ist der Emitterbereich 10 der Grabengateelektrode 18 über die Gateisolationsschicht 16 zugewandt. Der Körperbereich 12, der den Emitterbereich 10 und den Driftbereich 20 an Punkten 10a in einer Tiefenrichtung trennt, ist der Grabengateelektrode 18 über die Gateisolationsschicht 16 zugewandt. Der Emitterbereich 10 ist von einem N-Typ, der Körperbereich 12 ist von einem P-Typ und der Driftbereich 20 ist von dem N-Typ, sodass der Emitterbereich 10 und der Driftbereich 20 normalerweise nicht elektrisch miteinander verbunden sind. Wenn jedoch eine positive Spannung an die Grabengateelektrode 18 angelegt wird, invertiert der Körperbereich 12, der der Grabengateelektrode 18 über die Gateisolationsschicht 16 zugewandt ist, zu dem N-Typ in seiner Leitfähigkeit, sodass der Emitterbereich 10 und der Driftbereich 20 elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zwischenlagenisolationsschicht, die obere Oberflächen der Grabengateelektrode 18 bedeckt und die Grabengateelektrode 18 von der Emitterelektrode 24 isoliert. Die Zwischenlagenisolationsschicht 4 bedeckt auch obere Oberflächen der inneren Halbleiterbereiche 6 und isoliert die inneren Halbleiterbereiche 6 von der Emitterelektrode 24. Weil die inneren Halbleiterbereiche 6 von der Emitterelektrode 24 durch die Zwischenlagenisolationsschicht 4 isoliert sind und von der Grabengateelektrode 18 durch die Gateisolationsschicht 16 sind, sind die inneren Halbleiterbereiche 6 von der Kollektorelektrode 26 durch P-N-Übergange isoliert, wenn der IGBT 30 ausgeschaltet ist. Während der Ausschaltzeit des IGBTs 30 sind die inneren Halbleiterbereiche 6 in einem Fließzustand. Bezugszeichen 4a bezeichnet Öffnungen 4a, die in der Zwischenlagenisolationsschicht 4 gebildet sind. Der Emitterbereich 10 und der Körperkontaktbereich 8 sind leitend zu der Emitterelektrode 24 wegen der entsprechenden Öffnung 4a.
  • Eine Schicht 40, die durch imaginäre Linien angezeigt wird, ist eine Schicht des N-Typs und ist in einer Zwischentiefe des Körperbereichs 12 des P-Typs gebildet. Der Körperbereich 12 ist durch die N-Typ Schicht 40 halbiert in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich. Die Schicht 40 des N-Typs kann weggelassen werden.
  • Wie in 1 gezeigt, sind die Emitterbereiche 10 und inneren Halbleiterbereiche 6 an Positionen gebildet, die der Grabengateelektrode 18 benachbart sind. Diese Bereiche sind beide vom N-Typ, und eine Variation in den Flächen, die mit Verunreinigungen dotiert sind, beeinflusst kaum die effektive Konzentration von Verunreinigungen. Die Körperkontaktbereiche 8 und Grabengateelektrode 18 sind von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen, aber sie sind voneinander durch den Körperbereich 12 getrennt, sodass es keine Notwendigkeit gibt, die benachbarten zwei Bereiche mit Verunreinigungen von verschiedenen Leitfähigkeitstypen zu dotieren. Die Konfiguration von 1 kann produziert werden, ohne benachbarte zwei Bereiche mit Verunreinigungen von verschiedenen Leitfähigkeitstypen zu dotieren. Obwohl die Grabengateelektrode 18 dem Körperbereich 12 benachbart ist, ist die Konzentration von dotierten Verunreinigungen in dem Körperbereich 12 niedrig, sodass diese Grabengateelektrode 18 und Körperbereich 12, die von unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen sind und benachbart zueinander sind, nicht sehr die Leistungen der Halbleitereinrichtung beeinflussen.
  • Pfeil A in 2(1) zeigt einen Bewegungspfad von Löchern an, wenn die Einrichtung ausgeschaltet wird. Die Löcher bewegen sich wegen der N-, P-Barrieren zwischen den inneren Halbleiterbereichen 6 des N-Typs und dem Körperbereich 12 des P-Typs entlang eines Pfads der die inneren Halbleiterbereiche 6 umgeht. 2(2) zeigt einen Fall, in dem die inneren Halbleiterbereiche 6 des N-Typs nicht gebildet sind, und in dem die Löcher sich entlang eines Bewegungspfads B bewegen, wenn die Einrichtung ausgeschaltet wird. Die Löcher bewegen sich nämlich entlang der Gateelektrode 18 und bewegen sich dann entlang und nahe der vorderen Oberfläche 2a des Halbleitersubstrats 2 und erreichen die Körperkontaktbereiche 8.
  • Ein Vergleich zwischen 2(1) und 2(2) zeigt klar, dass der Abstand, der durch den Pfeil A angezeigt wird, kurz ist, während der Abstand, der durch den Pfeil B angezeigt wird, lang ist. Das heißt, wenn es keinen inneren Halbleiterbereich 6 gibt, ist der Bewegungsabstand der Löcher durch den Körperbereich 12, der eine niedrige Konzentration an Verunreinigungen und einen hohen Widerstand hat, lang, während es auf der anderen Seite, die Bildung des inneren Halbleiterbereichs 6 des N-Typs ermöglicht, dass der Bewegungsabstand der Löcher durch den Körperbereich 12 kurz wird. Die Bildung des inneren Halbleiterbereichs 6 des N-Typs ermöglicht es, dass die Löcher einfach zu dem Körperkontaktbereich 8 entkommen, wenn die Einrichtung ausgeschaltet wird, sodass das Einrasten kaum auftreten kann.
  • Der IGBT 30 hat seine Kollektorelektrode 26 mit einer positiven Spannung verbunden, während die Emitterelektrode 24 geerdet ist, wenn er verwendet wird. Wenn keine positive Spannung an die Grabengateelektrode 18 angelegt wird, sind die Emitterbereiche 10 des N-Typs und der Driftbereich 20 des N-Typs voneinander durch den Körperbereich 12 des P-Typs dazwischen getrennt, sodass der IGBT 30 ausgeschaltet ist.
  • Wenn die positive Spannung an die Grabengateelektrode 18 angelegt wird, invertiert eine Fläche des Körperbereichs 12, der die Emitterbereiche 10 des N-Typs und den Driftbereich 20 des N-Typs trennt und der der Grabengateelektrode 18 über die Gateisolationsschicht 16 zugewandt ist, zu dem N-Typ in seiner Leitfähigkeit, wodurch ein Kanal gebildet wird. Als ein Ergebnis bewegen sich Elektronen von der Emitterelektrode 24 zu dem Driftbereich 20 durch die Emitterbereiche 10 und die Kanäle, und die Löcher bewegen sich von der Kollektorelektrode 26 zu dem Driftbereich 20 durch den Kollektorbereich 22. Der IGBT 30 leitet daher wegen des Leitfähigkeitsmodulationsphänomens, das in dem Driftbereich 20 auftritt. In dem IGBT 30 ist die Grabengateelektrode 18 gebogen. Die Lochdichte in den Driftbereichen, die innerhalb der gebogenen Abschnitte lokalisiert sind, wächst an, sodass das Leitfähigkeitsmodulationsphänomen beschleunigt wird. Die Einschaltzustandsspannung des IGBTs 30 ist dadurch durch das Biegen der Grabengateelektrode 18 reduziert.
  • Um den IGBT 30 wieder auszuschalten, wird das Anlegen der positiven Spannung an die Grabengateelektrode 18 gestoppt. Ein Ändern des Zustands der Einrichtung von Ein zu Aus wird hierin als „Ausschalten“ bezeichnet. Das Einrastphänomen, bei dem ein Strom weiterhin zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode fließt, selbst nachdem das Anlegen der positiven Spannung an die Grabengateelektrode gestoppt ist, neigt dazu, in IGBTs wegen ihrer Thyristorkonfiguration aufzutreten. Der IGBT 30, wie er mit Bezug auf 2(1) und 2(2) beschrieben wurde, ist so ausgelegt, dass die Löcher einfach zu der Emitterelektrode 24 durch die Körperkontaktbereiche 8 entkommen können, wenn die Einrichtung ausgeschaltet wird, und dadurch tritt kein Einrasten auf.
  • (ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL)
  • Unten werden nur Punkte, die von dem ersten Ausführungsbeispiel verschieden sind, erklärt, um eine wiederholende Beschreibung wegzulassen. Das gleiche gilt für das dritte und weitere Ausführungsbeispiele.
  • Wie in 3 gezeigt, ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Emitterbereich 10 in zwei Bereiche 10b und 10c durch den Körperkontaktbereich 8 geteilt. In diesem Fall kann auch das Einrasten durch Bilden der inneren Halbleiterbereiche 6 verhindert werden.
  • (DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL)
  • Wie in 5 gezeigt, ist in dem dritten Ausführungsbeispiel der Emitterbereich 10 in vier Bereiche 10d, 10e, 10f und 10g durch den Körperkontaktbereich 8 geteilt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Emitterbereich, der der Grabengateelektrode 18 zugewandt ist, um dem Kanal Elektronen zuzuführen, an vier Orten gebildet, sodass die Einschaltspannung niedrig ist. Ein Einrasten kann sogar leichter auftreten, aber in diesem Fall kann auch das Einrasten durch Bilden der inneren Halbleiterbereiche 6 verhindert werden.
  • (Beispiele von gebogenen Grabengateelektroden)
  • 6 bis 14 zeigen Beispiele von gebogenen Grabengateelektroden. Punkte, die mit Kreisen gekennzeichnet sind, bezeichnen Flächen, die innerhalb der gebogenen Abschnitte positioniert sind. Ein Einrasten kann durch Bilden der inneren Halbleiterbereiche 6 in Eckabschnitten verhindert werden, die durch die Kreise angezeigt sind. Bezugszeichen 18a in 13 und 14 bezeichnen Dummygräben. Ein "Dummygraben" bezeichnet einen, der die gleiche Konfiguration wie der der Grabengateelektrode 18 hat, aber nicht mit einer Gatespannungsanpassungsschaltung verbunden ist, und deswegen in einem Fließzustand ist. Wie in 13 gezeigt, können innere Halbleiterbereiche 6 in Gebieten gebildet sein, die innerhalb der gebogenen Abschnitte der Dummygräben 18a positioniert sind. Alternativ können keine inneren Halbleiterbereiche 6 in den Gebieten gebildet sein, die innerhalb der gebogenen Abschnitte der Dummygräben 18a positioniert sind. Während der Körperbereich und der Kontaktbereich vom P-Typ in der Beschreibung oben sind, können sie vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Emitterbereich 10 und die inneren Halbleiterbereiche 6 von der gleichen Zusammensetzung und mit einer gleichen Tiefe. Deswegen können der Emitterbereich 10 und die inneren Halbleiterbereiche 6 gleichzeitig gebildet werden. Die Zwischenlagenisolationsschicht 4, die die Grabengateelektrode 18 von der Emitterelektrode 24 isoliert, isoliert auch die inneren Halbleiterbereiche 6 von der Emitterelektrode 24. Deswegen muss keine zusätzliche Isolationsschicht hinzugefügt werden, um die inneren Halbleiterbereiche 6 von der Emitterelektrode 24 zu isolieren. Diese Faktoren ermöglichen eine einfache Produktion der IGBTs gemäß den Ausführungsbeispielen.
  • Während Ausführungsbeispiele oben im Detail beschrieben wurden, sind diese nur für illustrative Zwecke angegeben und beschränken nicht den Bereich der Patentansprüche. Die Technologie, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, enthält verschiedene Modifikationen und Änderungen, die an den spezifischen oben gegebenen Beispielen gemacht werden.
  • Die technischen Elemente, die in dieser Spezifikation oder den Zeichnungen beschrieben sind, entfalten eine technische Nützlichkeit entweder alleine oder in verschiedenen Kombinationen, die nicht auf die Kombinationen beschränkt sind, die in den Patentansprüchen zur Zeit des Einreichens angegeben sind. Die in der Spezifikation oder den Zeichnungen illustrierte Technologie erreicht verschiedene Ziele zur gleichen Zeit, und das Erreichen von einem der Ziele hat in sich selbst eine technische Nützlichkeit.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Halbleitersubstrat
    2a
    Vordere Oberfläche
    2b
    Hintere Oberfläche
    4
    Zwischenlagenisolationsschicht
    4a
    Öffnung
    6
    Innerer Halbleiterbereich (N-Typ)
    8
    Körperkontaktbereich (P-Typ)
    10
    Emitterbereich (N-Typ)
    10a
    Fläche, die der Grabengateelektrode 18 zugewandt ist
    10b, 10c
    Emitterbereich, der durch den Körperkontaktbereich geteilt ist
    10d, 10e, 10f, 10g
    Emitterbereich, der durch den Körperkontaktbereich geteilt ist
    12
    Körperbereich (Basisbereich) (P-Typ)
    14
    Graben
    14a, 14b, 14c, 14d, 14e und 14f
    Grabenabschnitte
    16
    Gateisolationsschicht
    18
    Grabengateelektrode
    20
    Driftbereich (Bulkbereich) (N-Typ)
    22
    Kollektorbereich (P-Typ)
    24
    Emitterelektrode
    26
    Kollektorelektrode
    30
    IGBT
    32, 34, 36 und 38
    Flächen, die innerhalb von gebogenen Gräben positioniert sind
    A, B
    Bewegungspfad von Löchern
    Kreis
    Position innerhalb von gebogenen Gräben

Claims (6)

  1. IGBT (30) mit einem Halbleitersubstrat (2); einer Emitterelektrode (24), die auf einer vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) gebildet ist; und einer Kollektorelektrode (26), die auf einer hinteren Oberfläche (2b) des Halbleitersubstrats (2) gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat (2) aufweist: einen Emitterbereich (10), der an der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt; einen Kollektorbereich (22), der an der hinteren Oberfläche (2b) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt, einen Körperbereich (12), der in Kontakt mit dem Emitterbereich (10) steht und sich tiefer erstreckt als der Emitterbereich (10); einen Driftbereich (20), der den Körperbereich (12) und den Kollektorbereich (22) trennt; und einen Körperkontaktbereich (8), der an der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt, wobei das Halbleitersubstrat (2) gebildet ist mit: einem Graben (14), der sich von der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) erstreckt und den Driftbereich (20) erreicht; einer Gateisolationsschicht (16), die eine Wand des Grabens (14) bedeckt; und einer Grabengateelektrode (18), die in den Graben (14) gefüllt ist, wobei die Grabengateelektrode (18) der Emitterelektrode (10), dem Körperbereich (12) und dem Driftbereich (20) in dieser Reihenfolge über die Gateisolationsschicht (16) zugewandt ist, der Emitterbereich (10) und der Körperkontaktbereich (8) so konfiguriert sind, dass sie elektrisch mit der Emitterelektrode (24) verbunden sind, die Grabengateelektrode (18) von der Emitterelektrode (24) isoliert ist, der Kollektorbereich (22) so konfiguriert ist, dass er elektrisch mit der Kollektorelektrode (26) verbunden ist, die Grabengateelektrode (18) gebogen ist, wenn das Halbleitersubstrat (2) in einer Aufsicht gesehen wird, ein innerer Halbleiterbereich (6) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Emitterbereich (10) an einer Position innerhalb eines gebogenen Abschnitts der Grabengateelektrode (18) gebildet ist und an der vorderen Oberfläche (2a) des Halbleitersubstrats (2) außen liegt, und der innere Halbleiterbereich (6) nicht so konfiguriert ist, dass er elektrisch mit der Emitterelektrode (24) verbunden ist.
  2. Der IGBT (30) nach Anspruch 1, wobei der innere Halbleiterbereich (6) und der Emitterbereich (10) aus der gleichen Zusammensetzung gemacht sind.
  3. Der IGBT (30) nach Anspruch 1, ferner mit einer Zwischenlagenisolationsschicht (4), die eine Oberfläche des inneren Halbleiterbereichs (6) und eine Oberfläche der Grabengateelektrode (18) bedeckt, wobei die Zwischenlagenisolationsschicht (4) den inneren Halbleiterbereich (6) von der Emitterelektrode (24) isoliert und die Grabengateelektrode (18) von der Emitterelektrode (24) isoliert.
  4. Der IGBT (30) nach Anspruch 1, wobei die Grabengateelektrode (18) ein Muster von verbundenen T-Formen bereitstellt, wenn das Halbleitersubstrat (2) in der Aufsicht gesehen wird.
  5. Der IGBT (30) nach Anspruch 1, wobei der Körperkontaktbereich (8) von dem inneren Halbleiterbereich (6) durch den Körperbereich (12) getrennt ist, wenn das Halbleitersubstrat (2) in der Aufsicht gesehen wird.
  6. Der IGBT (30) nach Anspruch 1, wobei der Körperkontaktbereich (8) von der Gateisolationsschicht (16) durch den Körperbereich (12) getrennt ist, wenn das Halbleitersubstrat (2) in der Aufsicht gesehen wird.
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