DE19810338A1 - Leistungshalbleiterbauteil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil,
insbesondere einen Isolationsschicht-Bipolartransistor mit
einer Durchschalt-Verhinderung und einer
Kurzschlußbeständigkeit.
Im allgemeinen wird ein Isolationsschicht-
Bipolartransistor-Bauteil (Insulated Gate Bipolar
Transistor, im folgenden kurz IGBT genannt) als eines der
Leistungshalbleiterbauteile verwendet und ist aus einer
Vielzahl von parallel geschalteten IGBT-Zellen aufgebaut.
Besonders ein Durchschalt-Phänomen ("Latch-up"-Phänomen)
wirkt als ein Hauptfaktor, der die Höhe des Stroms, der in
einer n-Kanal-IGBT-Zelle fließt, beschränkt. Verschiedene
Typen von IGBT-Strukturen zum Verhindern des Durchschalt-Phä
nomens sind in den US-Patenten Nr. 5,170,239 und
5,160,985 offenbart. Fig. 4 zeigt ein Layout bzw. eine
Anordnung einer IGBT-Zelle bei einem herkömmlichen n-Ka
nal-IGBT-Bauteil und Fig. 5 zeigt eine vertikale Struktur der
IGBT-Zelle, dargestellt als Querschnittsansicht, die längs
einer Linie A-A' von Fig. 4 angefertigt wurde.
Nimmt man auf die Fig. 4 und 5 bezug, so ist eine
n⁺-Pufferschicht 12 auf einer Hauptfläche einer
p⁺-Kollektorschicht 10, die aus einem p⁺-Halbleitersubstrat
ausgebildet ist, ausgebildet. Eine n⁻-Epitaxieschicht 14
ist auf einer Fläche der n⁺-Pufferschicht 12 ausgebildet.
Durch selektive Diffusion von p-dotierenden Fremdatomen,
wird in einem Teil der Oberfläche der n⁻-Epitaxieschicht 14
ein p-Wannenbereich ausgebildet. Der p-Wannenbereich wird
durch einen flachen p-Wannenbereich 16 mit einer relativ
geringen Fremdatomkonzentration und einem tiefen
p-Wannenbereich 18 mit einer relativ hohen
Fremdatomkonzentration, der im zentralen Bereich des
flachen p-Wannenbereichs 16 vorgesehen ist, ausgebildet.
Durch selektive Diffusion von n-dotierenden Fremdatomen
hoher Konzentration wird in einem Teil der Oberfläche des
p-Wannenbereichs ein n⁺-Emitterbereich 20 ausgebildet.
Eine Gate-Isolationsschicht 22 wird auf der Oberfläche des
p-Wannenbereichs zwischen der Oberfläche der
n⁻-Epitaxieschicht 14 und dem n⁺-Emitterbereich 20
ausgebildet. Diese Gate-Isolationsschicht 22 bedeckt
ebenfalls die Oberfläche der n⁻-Epitaxieschicht 14, so daß
sie mit einer Gate-Isolationsschicht einer angrenzenden
IGBT-Zelle integriert ist. Eine Gate-Elektrode 24 aus
Polysilicium ist z. B. auf der Gate-Isolationsschicht 22
ausgebildet und eine Emitterelektrode 27 eines Metalls, wie
z. B. Aluminium, ist so ausgebildet, daß sie mit dem
n⁺-Emitterbereich 20 elektrisch verbunden ist. Die Gate-Elek
trode 24 und die Emitterelektrode 27 sind mit einer
dazwischenliegenden Isolationsschicht 26, wie z. B. einer
PSG-Schicht (Phosphorsilikatglas-Schicht), als eine
Mehrschichtstruktur vorgesehen, so daß sie gemeinsam mit
jeder Zelle, die das IGBT-Bauteil bilden, elektrisch
verbunden sind. Eine Kollektorelektrode (nicht dargestellt)
aus Metall ist auf der anderen Hauptfläche der
p⁺-Kollektorschicht 10 für alle Zellen des IGBT-Bauteils
gemeinsam ausgebildet.
Bei dem oben beschriebenen IGBT-Bauteil ist eine
n-Kanal-MOS-Struktur in der Nähe der Oberfläche des
p-Wannenbereichs, zwischen der n⁻-Epitaxieschicht 14 und dem
n⁺-Emitterbereich 20, vorgesehen. Über einen Gate-An
schlußpunkt (nicht dargestellt) wird eine positive
Spannung an die Gate-Elektrode 24 angelegt, so daß
Elektronen durch einen Kanal, der in der Nähe der
Oberfläche des flachen p⁻-Wannenbereichs 16 unter der Gate-Elek
trode 24 ausgebildet ist, vom n⁺-Emitterbereich 20 zur
n⁻-Epitaxieschicht 14 fließen. Ein Symbol Ie in Fig. 5
zeigt den so transportierten Elektronenstrom an.
Andererseits werden positive Löcher, die
Minoritätsladungsträger sind, von der p⁺-Kollektorschicht
10 in die n⁻-Epitaxieschicht 14 injiziert. Ein Teil der
Löcher geht durch Rekombination mit den zuvor genannten
Elektronen verloren, während die verbleibenden Löcher in
den p-Wannenbereich als Löcherstrom Ih fließen. Folglich
arbeitet das IGBT-Bauteil grundsätzlich in einem bipolaren
Modus und die Leitfähigkeit wird in der n⁻-Epitaxieschicht
14 aufgrund eines Leitfähigkeitsmodulationseffekts erhöht,
wodurch im Gegensatz zu einem herkömmlichen Leistungs-
Metalloxid-Halbleiter (Leistungs-MOS) eine geringere
Spannung im eingeschalteten Zustand und eine höhere
Stromkapazität implementiert werden können.
Es ist anzumerken, daß eine parasitäre pnpn-Thyristor-Struk
tur bei der IGBT-Zelle vorhanden ist, wie dies aus
Fig. 5 offensichtlich ist. Ein solcher parasitärer
Thyristor kann aus einem npn-Transistor, der durch die
n⁻-Epitaxieschicht 14, den p-Wannenbereich und den
n⁺-Emitterbereich 20 definiert wird, sowie einen
pnp-Transistor, der durch die p⁺-Kollektorschicht 10, die
n⁻-Epitaxieschicht 14 und den p-Wannenbereich definiert wird,
ausgebildet sein. Wenn beide parasitären Transistoren in
ihren jeweiligen Betriebszustand übergehen, leitet der
parasitäre Thyristor und verursacht dadurch das
Durchschalt-Phänomen.
Wenn beim herkömmlichen IGBT-Bauteil mit der
Thyristorstruktur die Höhe des Elektronenstroms Ie, der
unter dem n⁺-Emitterbereich 20 durch den p⁻-Wannenbereich
16 fließt, über einen bestimmten Wert erhöht wird, wird
aufgrund eines Widerstands des p⁻-Wannenbereichs 16 eine
Spannungsdifferenz zwischen dem p⁻-Wannenbereichs 16 und
dem n⁺-Emitterbereich 20 erzeugt. Wenn die
Spannungsdifferenz auf einen bestimmten Wert ansteigt,
leitet der parasitäre npnp-Thyristor. Ein Elektronenstrom
zum pnp-Transistor im IGBT-Bauteil bleibt weiterhin
erhalten und dadurch wird der pnp-Transistor nicht
abgeschaltet, selbst wenn am IGBT-Bauteil keine Gate-Span
nung angelegt ist. Im Gegenteil, es wird ein zum
pnp-Transistor fließender Elektronenstrom weiter erhöht, so daß
der IGBT-Transistor zerstört wird.
Weiterhin existiert ein Kurzschluß zwischen dem Emitter und
der Basis des npn-Transistors, so daß der Transistor kaum
in den eingeschalteten Zustand übergeht. Deshalb wird beim
normalen Betriebszustand kein Durchschalt-Phänomen erzeugt
und die IGBT-Zelle arbeitet als ein zusammengesetztes
Element eines n-Kanal-MOSFET und des pnp-Transistors. In
diesem Fall wird der Basisstrom des pnp-Transistors durch
den n-Kanal-MOSFET gesteuert und deshalb kann ein
Hauptstrom, der vom Kollektor-Anschlußpunkt (nicht
dargestellt) des IGBT-Bauteils fließt, durch eine am
Gate-Anschlußpunkt angelegte Steuerspannung gesteuert werden.
Um ein solches Durchschalt-Phänomen zu verhindern, muß die
Fremdatomkonzentration des p-Wannenbereichs erhöht werden,
um den Widerstand zu verringern, und das Verhältnis des
Löcherstroms Ih, der unter dem n⁺-Emitterbereich 20 in
Richtung der Emitterelektrode 27 fließt, muß verringert
werden.
Um die in Fig. 5 dargestellte Struktur zu verwenden, muß
der p-Wannenbereich 16 besonders bei einem IGBT-Bauteil mit
hoher Durchbruchspannung tief ausgebildet werden und
folglich muß der p⁺-Wannenbereich 18 mit hoher
Fremdatomkonzentration ebenfalls in einer noch tieferen
Lage ausgebildet werden. Da der p⁺-Wannenbereich 18 durch
Diffusion von der Oberfläche ausgebildet wird, wird die
Konzentrationsverteilung des Fremdatoms unvermeidlich
verringert, wenn die Tiefe erhöht wird. Daher kann der
Widerstand des p-Wannenbereichs 16 in vertikale Richtung in
einem tiefen Teil nicht ausreichend verringert werden.
Obwohl der p⁺-Wannenbereich 18 vorzugsweise über den
gesamten Bereich unter dem n⁺-Emitterbereich 20 ausgebildet
ist, darf weiterhin der p⁺-Wannenbereich 18 nicht bis zu
einem Kanalbereich unter der Gate-Elektrode 24 reichen, um
eine Änderung der Schwellspannung des MOSFET zu vermeiden.
Daher muß unter Berücksichtigung von verschiedenen Fehlern
bei der Ausbildung der p⁺-Wannenbereich 18 vom Kanalbereich
beträchtlich getrennt werden und folglich kann der
Widerstand in eine Richtung quer zum p-Wannenbereich 16 in
einem Teil dicht beim Kanal nicht ausreichend verringert
werden. Folglich reicht die in Fig. 5 dargestellte Struktur
nicht aus, um mit dem Durchschalt-Phänomen fertig zu
werden.
Ebenfalls wird ein Elektronenstrom Ie der durch den
n⁺-Emitterbereich 20 in Richtung der Emitterelektrode 27
fließt, unmittelbar bei einem Emitterkontaktbereich 28
gesammelt, weil der n⁺-Emitterbereich 20 unmittelbar mit
der Emitterelektrode 27 verbunden ist, wie dies in Fig. 5
dargestellt ist. Falls folglich ein Widerstand des
p⁻-Wannenbereichs 16 relativ gering ist, wird am
p⁻-Wannenbereich 16 gerade unterhalb des n⁺-Emitterbereichs 20
ein Spannungsabfall verursacht. Aufgrund des
Spannungsabfalls des p⁻-Wannenbereichs 16 wird ein
Durchschalt-Phänomen erzeugt und ein Kurzschlußkennwert
wird verschlechtert.
Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, ein IGBT-Bau
teil vorzusehen, welches in der Lage ist, ein
Durchschalt-Phänomen zu verhindern, wobei ein
Kurzschlußkennwert verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Isolationsschicht-Bi
polartransistor gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, das ein Layout eines IGBT-Bauteils
gemäß der Erfindung darstellt,
Fig. 2A eine Querschnittsansicht längs einer Linie B-B'
in Fig. 1,
Fig. 2B eine Querschnittsansicht längs einer Linie C-C'
in Fig. 1,
Fig. 2C eine Querschnittsansicht längs einer Linie D-D'
in Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das ein Ersatzschaltbild
von Fig. 1 darstellt,
Fig. 4 ein Diagramm, das ein Layout eines herkömmlichen
IGBT-Bauteils zum Verhindern eines Durch
schalt-Phänomens darstellt, und
Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs einer Linie A-A'
in Fig. 4.
Fig. 1 zeigt eine neues IGBT-Bauteil gemäß der Erfindung,
welches einen n⁺-Emitterbereich 124 mit drei Teilen 124a
bis 124c (d. h., einem ersten, einem zweiten und einem
dritten Teil), die untereinander miteinander verbunden
sind, aufweist. Der erste Teil 124a ist auf einer linken
Seite eines Kontaktbereichs 121 (dargestellt durch
gestrichelte Linien in Fig. 1) einer Emitterelektrode 120
vorgesehen und erstreckt sich in die gleiche Richtung wie
die Ausdehnungsrichtung der Emitterelektrode 120. Der
zweite Teil 124b ist auf einer rechten Seite des
Kontaktbereichs 121 vorgesehen und erstreckt sich in die
gleiche Richtung wie die Ausdehnungsrichtung der
Emitterelektrode 120. Ebenfalls ist der dritte Teil 124c
senkrecht zum ersten und zweiten Teil vorgesehen, um ein
Endteil des ersten Teils 124a und ein Anfangsteil des
zweiten Teils 124b elektrisch miteinander zu verbinden. Der
Kontaktbereich 121 ist an einer Position ausgebildet, wo
die Emitterelektrode 120 im wesentlichen mit einem
p-Wannenbereich verbunden ist. Der n⁺-Emitterbereich 124 des
IGBT-Transistors ist elektrisch isoliert gegen einen
n⁺-Emitterbereich eines angrenzenden IGBT-Transistors.
Der p-Wannenbereich ist aus einem flachen p⁻-Wannenbereich
106 mit einer relativ geringen Fremdatomkonzentration und
einem tiefen p⁺-Wannenbereich 108 mit einer relativ hohen
Fremdatomkonzentration ausgebildet. Der tiefe p⁺-Bereich
108 ist in einem zentralen Bereich des p⁻-Wannenbereichs
106 vorgesehen und wird durch Diffusion einer hohen
Konzentration eines p-Fremdatoms des gleichen
Leitfähigkeitstyps wie der p⁻-Wannenbereich 106
ausgebildet. Die Emitterelektrode 120 ist aus einem Metall
wie Aluminium ausgebildet.
Bei dem oben erwähnten IGBT-Bauteil kann ein Teil des
Löcherstroms Ih in einen aktiven Bereich umgeleitet werden,
wo der n⁺-Emitterbereich 124 nicht ausgebildet ist, so daß
eine Spannungsdifferenz zwischen dem n⁺ -Emitterbereich und
einem p⁺-Wannenbereich, der unter dem n⁺-Emitterbereich
ausgebildet ist, minimiert werden kann. Folglich kann ein
"Latch-up"- bzw. Durchschalt-Phänomen im IGBT-Bauteil
verhindert werden. Während das Ausführungsbeispiel
bezüglich eines n-Kanal-IGBT-Bauteils beschrieben wurde,
ist die Erfindung natürlich ebenfalls bei einem
p-Kanal-IGBT-Bauteil anwendbar.
Wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, weist das neue
IGBT-Bauteil ebenfalls den p⁺-Wannenbereich 108 mit zwei
Vorsprünge 110a und 110b (d. h., einem ersten und zweiten
Vorsprung) auf, die sich in eine Querrichtung zum Rumpf des
Wannenbereichs 108 erstrecken. Der erste Vorsprung 110a
deckt den ersten Bereich 124a des n⁺-Emitterbereichs 124
vollständig ab und der zweite Vorsprung 110b deckt den
zweiten Teil 124b des n⁺-Emitterbereichs 124 vollständig
ab. Der dritte Bereich 124c des p⁺-Emitterbereichs 124 ist
ebenfalls durch die Kombination des ersten und zweiten
Vorsprungs 110a und 110b vollständig bedeckt und mit der
Emitterelektrode 120 direkt elektrisch verbunden. Der erste
und der zweite Teil 124a und 124b des n⁺-Emitterbereichs
124 sind jeweils auf einer Seite parallel zum Rumpf der
Emitterelektrode 120 beabstandet. Dieser Rumpf der
Emitterelektrode 120 wird durch den Kontaktbereich 121
definiert, wo ein Metall wie Aluminium durch ein
Kontaktloch hindurch gefüllt ist (nicht dargestellt in
Fig. 1).
Wie oben beschrieben, weist der IGBT-Transistor der
Erfindung eine verbesserte Struktur im n⁺-Emitterbereich
124 und im p-Wannenbereich auf, um einen Teil des
Löcherstroms Ih in einen aktiven Bereich umzuleiten, wo der
n⁺-Emitterbereich nicht ausgebildet ist, und um eine
Spannungsdifferenz zwischen dem n⁺-Emitterbereich 124 und
dem p⁺-Wannenbereich 108 zu minimieren. Der IGBT-Transistor
weist so eine hohe Durchschalt- bzw. "Latch-up"-Be
ständigkeit und eine hohe Kurzschluß-Beständigkeit auf.
Die Fig. 2A bis 2C sind Querschnittsansichten längs Linien
B-B', C-C' und D-D' in Fig. 1. Die gleichen Komponenten der
Fig. 2A bis 2C werden mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
Wie in den Fig. 2A bis 2C dargestellt, ist eine
n⁺-Pufferschicht 102 auf einer Hauptfläche einer
p⁺-Kollektorschicht 100 ausgebildet, welche durch ein
p⁺-Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Eine n⁻-Epitaxieschicht
104 ist auf einer Oberfläche der n⁺-Pufferschicht 102
ausgebildet. Ein p-Wannenbereich (d. h., die Anordnung der
Teile, die jeweils durch die Bezugszeichen 106 und 108
bezeichnet werden) ist teilweise in der Oberfläche der
n⁻-Epitaxieschicht 104 durch selektive Diffusion eines
p-Fremdatoms ausgebildet. Der p-Wannenbereich ist aus zwei
Wannenbereichen gebildet, wobei der eine davon ein flacher
p-Wannenbereich 106 mit einer relativ geringen
Fremdatomkonzentration und der andere davon ein tiefer
p-Wannenbereich 108 mit einer relativ hohen
Fremdatomkonzentration ist, welcher im zentralen Bereich
des flachen p-Wannenbereichs 106 vorgesehen ist. Ein
n⁺-Emitterbereich 124 ist in einem Teil der Oberfläche des
p-Wannenbereichs durch selektive Diffusion eines n-Fremdatoms
mit hoher Konzentration ausgebildet.
Zwischen den Flächen der n⁻-Epitaxieschicht 104 und dem
n⁺-Emitterbereich 124 ist eine Gate-Isolationsschicht 114 auf
der Oberfläche des p-Wannenbereichs ausgebildet. Diese
Gate-Isolationsschicht 114 bedeckt ebenfalls die Oberfläche
der n⁻-Epitaxieschicht 104, so daß sie mit einer Gate-
Isolationsschicht einer angrenzenden IGBT-Zelle verbunden
ist. Eine Gate-Elektrode 116 z. B. aus Polysilicium ist auf
der Gate-Isolationsschicht 114 ausgebildet und eine
Emitterelektrode 120 aus Metall wie Aluminium ist
ausgebildet, so daß sie mit dem n⁺-Emitterbereich 124
elektrisch verbunden ist. Eine Gate-Elektrode 116 und die
Emitterelektrode 120 sind mit einer dazwischenliegenden
Isolationsschicht 118, wie einer PSG-Schicht, in einer
Multilayer- bzw. Mehrschichtstruktur vorgesehen, so daß sie
elektrisch mit jeder Zelle, die das IGBT-Bauteil ausbilden,
verbunden sind. Eine gemeinsame Kollektorelektrode (nicht
dargestellt) aus Metall ist auf der zweiten Hauptfläche der
p⁺-Kollektorschicht 100 bei jeder der IGBT-Zellen
ausgebildet.
Da beim oben beschriebenen Aufbau bzw. bei der Struktur des
IGBT-Transistors eine Fläche, die nicht mit dem
n⁺-Emitterbereich 124 belegt ist, als dessen aktiver Bereich
wirkt, wird im IGBT-Transistor ein parasitäres npn-Element
nicht erzeugt, selbst wenn große Löcherströme Ih unter dem
n⁺-Emitterbereich 124 in Richtung der Emitterelektrode 120
fließen.
Da ebenfalls der Boden des n⁺-Emitterbereichs 124
vollständig durch den darunterliegenden p⁺-Wannenbereich
108 bedeckt ist, wird eine Spannungsdifferenz dazwischen
unterhalb einer Schwellspannung eines parasitären
npn-Elements, das im IGBT-Transistor erzeugt wird, gehalten.
Folglich wird ein parasitärer npn-Transistor, der durch den
n⁺-Emitterbereich 124, den p⁺-Wannenbereich 108 und die
n⁻-Epitaxieschicht 104 gebildet werden kann, im
IGBT-Transistor nicht erzeugt.
Es wird angenommen, daß der n⁺-Emitterbereich 124 als ein
Emitter des IGBT-Transistors, der flache p⁻-Wannenbereich
106 als dessen Basis und eine n-Halbleiterschicht, die aus
der n⁺-Pufferschicht 102 und der n⁻-Epitaxieschicht 104
besteht, als dessen Kollektor wirkt. Eine
Spannungsdifferenz Vbe zwischen der Basis und dem Emitter
kann durch die folgende Gleichung (1) erhalten werden:
Vbe = Vb-Ve (1)
wobei Vb die Basisspannung und Ve die Emitterspannung
darstellt.
Ebenso werden die Basis- und Emitterspannungen Vb und Ve
durch die folgende Gleichung (2) erhalten:
Vb = Ih × Rp₋; Ve = Ie × Rn+ (2)
wobei Rp₋ der Basiswiderstand und Rn+ der Emitterwiderstand
ist.
Beim herkömmlichen IGBT-Transistor wird die Basisspannung
Vb erhöht, wenn der Löcherstrom Ih, der durch den
p-Wannenbereich fließt, erhöht wird, wie dies durch Gleichung
(2) ausgedrückt wird. Falls die Basisspannung Vb erhöht
wird, wird die Basis-Emitter-Spannungsdifferenz Vbe erhöht,
so daß das parasitäre npn-Element leitet. Folglich geht der
herkömmliche IGBT-Transistor in einen Durchschalt-Zustand
über.
Gemäß dem IGBT-Transistor dieses Ausführungsbeispiels ist
jedoch der Boden des n⁺-Emitterbereichs 124 vollständig
durch den p⁺-Wannenbereich 108 mit hoher
Fremdatomkonzentration bedeckt, wie dies in den Fig. 2A bis
20 dargestellt ist, und folglich kann der Widerstand des
p⁺-Wannenbereichs 108 im Vergleich zum herkömmlichen Fall
verringert werden, z. B. innerhalb des p⁻-Wannenbereichs
Folglich ist die Basisspannung Vb verringert, so daß die
Basis-Emitter-Spannungsdifferenz Vbe ebenfalls verringert
werden kann.
Weiterhin wird der Elektronenstrom Ie der durch den
n⁺-Emitterbereich 124 in Richtung der Emitterelektrode 120
fließt, nicht unmittelbar bei der Emitterelektrode 120
gesammelt. Dies liegt daran, daß der n⁺-Emitterbereich 124
nicht direkt mit der Emitterelektrode 120 verbunden ist,
wie dies in Fig. 2A oder 2B dargestellt ist.
Wie dies wiederum in Fig. 1 dargestellt ist, fließt der
Elektronenstrom Ie längs des ersten und des zweiten Teils
124a und 124b (wie dies durch Pfeile angedeutet ist) in
Richtung des dritten Teils 124c und fließt durch den
dritten Teil 124c, so daß er an die Emitterelektrode 120
angelegt wird. Da sowohl der erste Teil 124a als auch der
zweite Teil 124b länglich ausgebildet ist, sind aufgrund
des erhöhten Widerstandes Rn+ des Emitterbereichs 124 der
Widerstand Rn+ des Emitterbereichs 124 und ebenso die
Emitterspannung Ve erhöht.
Wie unmittelbar oben beschrieben, kann, falls die
Basisspannung Vb verringert wird und die Emitterspannung Ve
erhöht wird, die Spannung Vbe unterhalb der Schwellspannung
des parasitären npn-Elements gehalten werden, wie dies
durch die Gleichung (1) ausgedrückt wird. Folglich
verringert sich die Komponente des Löcherstroms Ih, die zum
Einschalt-Betrieb des parasitären npn-Elements beiträgt,
und dadurch leitet das parasitäre npn-Element nicht. Daher
kann der Durchschalt-Effekt des IGBT-Bauteils effektiv
verhindert werden.
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ersatzschaltung
für Fig. 1 darstellt. Da zwischen einem Masseanschlußpunkt
GND ∼ Ve und dem Emitter 120 des npn-Transistors 50 auf der
Grundlage des Prinzips der Erfindung ein Emitter-Ballast-Wi
derstand RE ausgebildet ist, wird eine Spannung von
VS-VA zwischen der Basis und dem Emitter des npn-Transistors
50 angelegt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Folglich
wird die Spannung VS-VA des flachen p⁻-Wannenbereichs 106
auf die Spannung VS verringert, so daß der npn-Transistor
nicht einfach leiten kann. Folglich ist es für den IGBT
schwer in einen Durchschalt-Zustand zu gelangen.
Wendet man sich nun den Fig. 1 und 2A zu, so wirkt ein Teil
des p⁺-Wannenbereichs 108, der in Fig. 1 mit einem Symbol
NA bezeichnet ist, als der Emitter-Ballast-Widerstand RE.
Dieser Teil NA wirkt ebenfalls als eine inaktive Fläche,
weil der p⁺-Wannenbereich unmittelbar unterhalb des
n⁺-Emitterbereichs angeordnet ist. Jedoch wirkt ein Teil, der
in Fig. 1 mit einem Symbol AR bezeichnet ist, als eine
aktive Fläche, weil der p⁻-Wannenbereich unmittelbar unter
dem n⁺-Emitterbereich angeordnet ist.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung eines IGBT-Bau
teils ein Teil des Löcherstroms Ih in einen aktiven
Bereich umgeleitet werden, wo kein n⁺-Emitterbereich
ausgebildet ist, und eine Spannungsdifferenz zwischen dem
n⁺-Emitterbereich und einem p⁺-Wannenbereich, der unterhalb
des n⁺-Emitterbereichs ausgebildet ist, kann verringert
werden. Folglich führt der aktive Betrieb eines
Durchschalt-Phänomens im IGBT-Bauteil nicht zum Leiten.
Claims (14)
1. Ein Isolationsschicht-Bipolartransistor, der aufweist:
eine erste Halbleiterschicht (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche;
eine zweite Halbleiterschicht (104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen ersten Halbleiterbereich (106, 108) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (124) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) ausgebildet ist;
eine Isolationsschicht (114), die auf der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) zwischen der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (124) und der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
eine Steuerelektrode (116), die auf der Isolationsschicht (114) ausgebildet ist;
eine erste Hauptelektrode (120), die auf dem zweiten Halbleiterbereich (124) durch einen Kontaktbereich (121) durchgehend ausgebildet ist;
einen dritten Halbleiterbereich (110) des ersten Leitfähigkeitstyps, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (106, 108; 124) ausgebildet ist, um fast den gesamten Boden des zweiten Halbleiterbereichs (124) abzudecken; und
wobei der zweite Halbleiterbereich (124) aufweist:
einen ersten Teil (124a), der auf einer linken Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120),
einen zweiten Teil (124b), der auf einer rechten Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung streckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120), und
einen dritten Teil (124c), der senkrecht zum ersten Teil und zweiten Teil (124a, b) vorgesehen ist, um ein Endteil des ersten Teils (124a) und ein Anfangsteil des zweiten Teils (124b) elektrisch miteinander zu verbinden.
eine erste Halbleiterschicht (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche;
eine zweite Halbleiterschicht (104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen ersten Halbleiterbereich (106, 108) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (124) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) ausgebildet ist;
eine Isolationsschicht (114), die auf der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) zwischen der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (124) und der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
eine Steuerelektrode (116), die auf der Isolationsschicht (114) ausgebildet ist;
eine erste Hauptelektrode (120), die auf dem zweiten Halbleiterbereich (124) durch einen Kontaktbereich (121) durchgehend ausgebildet ist;
einen dritten Halbleiterbereich (110) des ersten Leitfähigkeitstyps, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (106, 108; 124) ausgebildet ist, um fast den gesamten Boden des zweiten Halbleiterbereichs (124) abzudecken; und
wobei der zweite Halbleiterbereich (124) aufweist:
einen ersten Teil (124a), der auf einer linken Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120),
einen zweiten Teil (124b), der auf einer rechten Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung streckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120), und
einen dritten Teil (124c), der senkrecht zum ersten Teil und zweiten Teil (124a, b) vorgesehen ist, um ein Endteil des ersten Teils (124a) und ein Anfangsteil des zweiten Teils (124b) elektrisch miteinander zu verbinden.
2. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
wobei der erste Halbleiterbereich (108) aufweist:
einen ersten Vorsprung (110a), der sich vom ersten Halbleiterbereich (108) erstreckt, um den ersten Teil (124a) des ersten Halbleiterbereichs (124) vollständig abzudecken; und
einen zweiten Vorsprung (110b), der sich vom ersten Halbleiterbereich (108) erstreckt, um den zweiten Teil (124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124) vollständig abzudecken, und
wobei der dritte Teil (124c) des zweiten Halbleiterbereichs (124) durch die Anordnung des ersten und zweiten Vorsprungs (110a, 110b) vollständig abgedeckt ist.
einen ersten Vorsprung (110a), der sich vom ersten Halbleiterbereich (108) erstreckt, um den ersten Teil (124a) des ersten Halbleiterbereichs (124) vollständig abzudecken; und
einen zweiten Vorsprung (110b), der sich vom ersten Halbleiterbereich (108) erstreckt, um den zweiten Teil (124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124) vollständig abzudecken, und
wobei der dritte Teil (124c) des zweiten Halbleiterbereichs (124) durch die Anordnung des ersten und zweiten Vorsprungs (110a, 110b) vollständig abgedeckt ist.
3. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 2,
bei dem der erste Teil (124a) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) eine erste Fläche aufweist, die
von dem ersten Vorsprung (110a) des ersten
Halbleiterbereichs (108) dicht abgedeckt ist, und wobei der
zweite Teil (124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124)
eine zweite Fläche aufweist, die von dem zweiten Vorsprung
(110b) des ersten Halbleiterbereichs (108) nicht abgedeckt
ist.
4. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
bei dem sowohl der erste Teil (124a) als auch der zweite
Teil (124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124) parallel
zum Rumpf der ersten Hauptelektrode (120) auf beiden Seiten
beabstandet sind, wobei der Rumpf der ersten Hauptelektrode
(120) im Kontaktbereich (121) ausgebildet ist.
5. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
bei dem der dritte Teil (124c) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) durch ein Kontaktloch in direktem
Kontakt mit der ersten Hauptelektrode (120) steht.
6. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
bei dem der erste Halbleiterbereich (106, 108) einen
flachen Wannenbereich (106) mit relativ geringer
Fremdatomkonzentration und einen tiefen Wannenbereich (108)
mit relativ hoher Fremdatomkonzentration aufweist, wobei
der tiefe Wannenbereich (108) durch einen zentralen Bereich
des flachen Wannenbereichs (106) durchlaufend ausgebildet
ist.
7. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
bei dem der dritte Teil (124c) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) ein Kontaktloch aufweist, auf dem
die erste Hauptelektrode (120) vorgesehen ist.
8. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 1,
der weiterhin eine zweite Hauptelektrode aufweist, die auf
der zweiten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100)
ausgebildet ist.
9. Ein Isolationsschicht-Bipolartransistor, der
aufweist:
eine erste Halbleiterschicht (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; und
eine Vielzahl von Isolationsschicht-Bi polartransistorzellen, die auf der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet sind, wobei jede der Zellen aufweist:
eine zweite Halbleiterschicht (104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (106, 108) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (124) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) ausgebildet ist;
eine Isolationsschicht (114), die auf der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) zwischen den Flächen des zweiten Halbleiterbereichs (124) und der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
eine Steuerelektrode (116), die auf der Isolationsschicht (114) ausgebildet ist;
eine zweite Hauptelektrode (120), die auf dem zweiten Halbleiterbereich (124) über einem Kontaktbereich ausgebildet ist;
eine zweite Hauptelektrode, die auf der zweiten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen dritten Halbleiterbereich (110a, b, c) des ersten Leitfähigkeitstyps, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (106, 108; 124) ausgebildet ist, um fast eine gesamte Bodenfläche des zweiten Halbleiterbereichs (124) abzudecken; und
wobei der zweite Halbleiterbereich (124) aufweist:
einen ersten Teil (124a), der auf einer linken Seite eines Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120),
einen zweiten Teil (124b), der auf einer rechten Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120), und
einen dritten Teil (124c), der senkrecht zum ersten und zum zweiten Teil (124a, b) vorgesehen ist, um mit einem Endteil des ersten Teils (124a) und einem Anfangsteil des zweiten Teils (124b) elektrisch verbunden zu sein.
eine erste Halbleiterschicht (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; und
eine Vielzahl von Isolationsschicht-Bi polartransistorzellen, die auf der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet sind, wobei jede der Zellen aufweist:
eine zweite Halbleiterschicht (104) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (106, 108) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
einen zweiten Halbleiterbereich (124) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) ausgebildet ist;
eine Isolationsschicht (114), die auf der Fläche des ersten Halbleiterbereichs (106, 108) zwischen den Flächen des zweiten Halbleiterbereichs (124) und der zweiten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist;
eine Steuerelektrode (116), die auf der Isolationsschicht (114) ausgebildet ist;
eine zweite Hauptelektrode (120), die auf dem zweiten Halbleiterbereich (124) über einem Kontaktbereich ausgebildet ist;
eine zweite Hauptelektrode, die auf der zweiten Hauptfläche der ersten Halbleiterschicht (100) ausgebildet ist;
einen dritten Halbleiterbereich (110a, b, c) des ersten Leitfähigkeitstyps, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (106, 108; 124) ausgebildet ist, um fast eine gesamte Bodenfläche des zweiten Halbleiterbereichs (124) abzudecken; und
wobei der zweite Halbleiterbereich (124) aufweist:
einen ersten Teil (124a), der auf einer linken Seite eines Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120),
einen zweiten Teil (124b), der auf einer rechten Seite des Kontaktbereichs (121) der ersten Hauptelektrode (120) vorgesehen ist und sich in die gleiche Richtung erstreckt, wie eine Ausdehnungsrichtung der ersten Hauptelektrode (120), und
einen dritten Teil (124c), der senkrecht zum ersten und zum zweiten Teil (124a, b) vorgesehen ist, um mit einem Endteil des ersten Teils (124a) und einem Anfangsteil des zweiten Teils (124b) elektrisch verbunden zu sein.
10. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 9,
bei dem der erste Halbleiterbereich (106, 108) einen
flachen Wannenbereich (106) mit relativ geringer
Fremdatomkonzentration und einen tiefen Wannenbereich (108)
mit relativ höher Fremdatomkonzentration aufweist, wobei
der tiefe Wannenbereich (108) durch einen zentral gelegenen
Teil des flachen Wannenbereichs (106) hindurchgehend
ausgebildet ist.
11. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 9,
bei dem der erste Halbleiterbereich (108) einen ersten
Vorsprung (110a), der sich vom ersten Halbleiterbereich
(108) erstreckt, um den ersten Teil (124a) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) vollständig abzudecken, und einen
zweiten Vorsprung (110b) aufweist, der sich vom ersten
Halbleiterbereich (108) erstreckt, um den zweiten Teil
(124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124) vollständig
abzudecken, wobei der dritte Teil (124c) des
Halbleiterbereichs (124) durch die Anordnung des ersten
und zweiten Vorsprungs (110a, b) vollständig abgedeckt
wird.
12. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 11,
bei dem der erste Teil (124a) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) eine erste Fläche aufweist, die
von dem ersten Vorsprung (110a) des ersten
Halbleiterbereichs nicht vollständig abgedeckt wird, und
bei dem der zweite Teil (124b) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) eine zweite Fläche aufweist, die
von dem zweiten Vorsprung (110b) des ersten
Halbleiterbereichs nicht vollständig abgedeckt wird.
13. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 9,
bei dem sowohl der erste Teil (124a) als auch der zweite
Teil (124b) des zweiten Halbleiterbereichs (124) in
lateraler Richtung von der ersten Hauptelektrode (120)
beabstandet ist.
14. Isolationsschicht-Bipolartransistor nach Anspruch 9,
bei dem der dritte Teil (124c) des zweiten
Halbleiterbereichs (124) durch ein Kontaktloch mit der
ersten Hauptelektrode (120) in direktem Kontakt steht.
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