DE19823170A1

DE19823170A1 - Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode

Info

Publication number: DE19823170A1
Application number: DE1998123170
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Bauer; Hans-Rudolf Zeller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1998-05-23
Filing date: 1998-05-23
Publication date: 1999-11-25

Abstract

Es wird ein IGBT angegeben, der auf einfache Weise hergestellt werden kann und trotzdem homogen eingeschaltet wird. Zu diesem Zweck wird auf Gatefinger verzichtet und der Gatestrom im IGBT-Chip wird ausgehend vom Gateanschluß unmittelbar über die Polysiliziumschichten der Gateelektroden zu den IGBT-Einheitszellen weitergeleitet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitertechnologie. Sie betrifft insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) nach dem Oberbe griff des ersten Anspruchs. Ein solcher IGBT ist beispielsweise aus der Deut schen Offenlegungsschrift DE 196 12 516 A1 bekannt.

Stand der Technik

In IGBTs nach dem Stand der Technik wird das Gate Signal bei IGBT-Chips mit einer Mindestoberfläche von 0.2 cm² zunächst mit Hilfe eines Gate Runners über die Peripherie der Chips verteilt (siehe DE 196 12 516 A1). Schmale Streifen (Gatefinger) führen dann das Signal ins Innere des Chips (deutlich zu sehen in EP 0 755 076 A2). Sowohl der Gate Runner, wie auch die Gate Finger bestehen aus einer Al Metallisierung. Es ist auch möglich, das Signal ausgehend von ei nem in einer Ecke oder zentral angeordneten Gatepad über Gatefinger über die Chipoberfläche zu verteilen (siehe Fig. 1). Die üblicherweise verwendete De signregel besagt, dass der Abstand x der Gate Finger folgende Bedingung erfül len muss.

R ist der Schichtwiderstand des Polysiliziums, welches das Signal vom Gatefin ger zum physikalischen Gate führt, c die MOS Kapazität pro Fläche des Gates, und τ die charakteristische Schaltzeit des IGBTs gegeben durch τ = R_gate.C_tot.. R_Gate ist der Gate Vorwiderstand und C_tot die totale MOS Kapazität des Chips. Typische Werte sind c = 30 nF/cm², R = 30 Ohm und τ = 200 nsec. Das resultiert in x«0.47 cm. Ist die obige Bedingung erfüllt, so ist - unabhängig vom Gate- Vorwiderstand - die Spannungsverteilung im Gate zu jedem Zeitpunkt während des Schaltens flach und damit die Stromdichte homogen.

Gate Finger erfordern jedoch eine komplexe und teure Lötmetallisierung, falls kathodenseitiges Löten erforderlich ist, und stellen hohe Anforderungen an die Passivierung. Passivierungsschwächen führen zu Gate-Emitter Kurzschlüssen die sich als Frühausfälle manifestieren und nur mit aufwendigen Burn-in Tests erfasst werden können. Ähnliche Probleme treten bei der Druckkontaktierung auf.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen IGBT anzugeben, der auf einfache Weise hergestellt werden kann und trotzdem homogen eingeschaltet. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, dass der Gatestrom im IGBT-Chip mit einer Mindestfläche von 0.2 cm² ausgehend vom Gateanschluss unmittelbar über die Polysiliziumschichten der Gateelektroden zu den IGBT-Einheitszellen weiterge leitet wird. Das Gatesignal kann nach einem ersten Ausführungsbeispiel über einen in einer Ecke angeordneter Gateanschluss (Gatepad) oder gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel über einen zentralen Gateanschluss dem IGBT- Chip zugeführt werden.

Die Erfindung wendet sich somit diametral ab von der herrschenden Ansicht, dass ab einer gewissen Chipgrösse homogenes Einschalten nur unter Verwen dung von Gatefingern erreicht werden kann. Vielmehr haben die Erfinder erst mals erkannt, dass für homogenes Abschalten eines IGBTs andere Designregeln gelten als für MOS Transistoren. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass maximale Verlustleistungsdichte ist immer homogen ist, wenn die Plasmaver teilung noch homogen ist. Ein bipolares Bauelement verhält sich insbesondere in dem Zeitpunkt, in dem der MOS-Strom nicht mehr genügt, um den äusseren Strom aufrecht zu erhalten, prinzipiell anders als ein unipolares Element wie z. B. ein MOS Transistor. Nach diesem Zeitpunkt erfolgt ein Übergang von bipo larem Strom zu reinem Löcherstrom, verbunden mit einem Ausräumen der Hauptjunction. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, wird der volle Strom von Löchern getragen und die Raumladungszone baut sich auf. Die Plasmaverteilung ist aber lateral immer noch recht homogen. Deshalb wird auch die sehr inhomo gene Stromverteilung rasch homogenisiert. Zum Zeitpunkt der maximalen Ver lustleistung ist die Stromverteilung nahezu homogen. Deshalb wird die Safe Operating Area nicht reduziert und die Abschaltenergie kaum verändert. Als Konsequenz lassen sich IGBTs ohne Gate Finger bauen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen IGBT-Chips 1 von oben. Dargestellt ist ein erster Hauptanschluss 3, der von einer Isolierung 7 und einem Gaterahmen 8 umgeben ist. Der Gaterahmen 8 steht in Verbindung mit einem Gateanschluss 4, von welchem z. B. Bonddrähte zum entsprechenden Gehäuseanschluss führen können. Im Gegensatz dazu sind beim Stand der Technik nach Fig. 1 Gatefinger 6 vorgesehen, die das Gatesignal ausgehend vom Gateanschluss 4 über die Chipoberfläche verteilen.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass

- durch den Wegfall der Gatefinger eine einfache und billige Ausführungen der Lötmetallisierung ermöglicht wird,
- die einfachere Technologie eine höhere Zuverlässigkeit bei der Druckkontak tierung der Chips ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen IGBT-Chip nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen IGBT-Chip nach der Erfindung nach einem er sten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen IGBT-Chip nach der Erfindung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen IGBT-Chip nach der Erfindung.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Vorversuchen wurde ein langsamer 2.5 kV Chip mit einer Mindestchipoberflä che von 0,2 cm^-2 ohne Gate Finger gebaut und seine Eigenschaften gemessen. Sie waren innerhalb der Fehlergrenze ununterscheidbar von der Version mit Gate Finger. Die Befürchtung bestand jedoch, ein schneller Chip würde ohne Gate Finger unter extrem inhomogenen Stromverteilungen abschalten und deshalb hohe Schaltverluste, langsame Transienten und kleine SOA aufweisen. Analyti sche Rechnungen, numerische Simulationen das Schaltverhalten sowie Schalt versuche von schnellen IGBTs ohne Gate Finger habe jedoch verblüffende Resul tate gezeigt. Es zeigte sich, dass eine Signalausbreitungszeit vergleichbar mit der Schaltzeit τ nicht notwendigerweise zu einer inhomogenen Sromverteilung beim Abschalten führt. Die Versuche zeigten auch, dass das Einschalten im Ver gleich zum Abschalten unkritisch ist.

Für den Fall, dass die Gateansteuerung von der Chipperipherie erfolgt und dass

gewählt wird, tritt beim Abschalten nämlich zunächst eine Stromumverteilung auf. Die äusseren Teile des Chips beginnen abzuschalten, die Last hält den to talen Strom konstant und kommutiert Strom ins Zentrum des Chips. Zu dem Zeitpunkt ist die Anodenspannung noch im wesentlichen Null.

Zu diesem Zeitpunkt genügt der MOS Strom nicht mehr, um den äusseren Strom aufrecht zu erhalten. In einem reinen MOS Transistor setzt jetzt der Span nungsanstieg ein. Der Spannungsanstieg koppelt über die Gate-Anoden (Miller) Kapazität Ladung ins Gate, derart, dass die Spannungsverteilung über das Gate konstant bleibt und der Strom nicht weiter abfällt. Sobald die volle Lastspan nung erreicht ist, bricht der Regelmechanismus ab, die Gatespannung sinkt und das Bauelement schaltet ab.

Der Kern der Erfindung ist nun, dass erkannt und vorteilhaft ausgenutzt wurde, dass sich ein bipolares Bauelement ab dem o. g. Zeitpunkt prinzipiell anders ver hält. Nach diesem Zeitpunkt erfolgt ein Übergang von bipolarem Strom zu rei nem Löcherstrom, verbunden mit einem Ausräumen der Hauptjunction. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, wird der volle Strom von Löchern getragen und die Raumladungszone baut sich auf. Die Plasmaverteilung ist aber lateral immer noch recht homogen. Deshalb wird auch die zu diesem Zeitpunkt sehr inhomoge ne Stromverteilung rasch homogenisiert. Zum Zeitpunkt der maximalen Ver lustleistung ist die Stromverteilung nahezu homogen. Deshalb wird die Safe Operating Area nicht reduziert und die Abschaltenergie kaum verändert. Damit können IGBTs gebaut werden, die ohne Gatefinger auskommen.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemässen, gatefingerlosen IGBT Chip 1 von oben. Im Gegensatz zur Fig. 1, die den Stand der Technik darstellt, sind keine Gate finger 6 vorgesehen, sondern das Gatesignal wird ausgehend von einem Gatean schluss 4 über einen Gaterahmen 8 über die Peripherie verteilt. Zwischen dem grossflächigen ersten Hauptanschluss (dargestellt als Metallisierung), der insbe sondere von der Kathode des IGBTs gebildet wird, und dem Gateanschluss 4 und dem Gaterahmen 8 ist eine Isolierung 7 vorgesehen. Nach der Erfindung ist der Gateanschluss 4 bzw. der Gaterahmen 8 mit den Polysiliziumschichten der Ga teelektroden 5 des IGBTs direkt, d. h. ohne Zwischenschalten von Gatefingern verbunden. Fig. 4 zeigt dies im Schnitt. Die Polysiliziumschicht 5 des IGBTs ist direkt mit dem Gateanschluss 4 verbunden. Die übrigen Polysiliziumschichten 5 der IGBT-Einheitszellen 2 sind im Bauelement parallelgeschaltet. In Fig. 4 ist auch die Isolierung 7, die zwischen dem Gateanschluss 4 und dem ersten Hauptanschluss 3 vorgesehen ist, bzw. der dafür vorgesehene Graben, deutlich zu sehen.

Selbstverständlich kann der Gateanschluss 4 auch zentral auf dem IGBT-Chip 1 angeordnet sein. Fig. 3 zeigt diese Ausführungsform. Wiederum ist der Gate anschluss 4 von einer Isolierung 7 umgeben, die ihn von dem Hauptanschluss 3 abkoppelt.

Bezugszeichenliste

1

IGBT-Chip

2

IGBT-Einheitszelle

3

erster Hauptanschluss

4

Gateanschluss (Gatepad)

5

Gateelektrode

6

Gatefinger

7

Isolierung

8

Gaterahmen

Claims

1. Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) umfassend min destens einen IGBT-Chip (1) mit einer Mehrzahl von parallelgeschalte ten IGBT-Einheitszellen (2), pro Chip einen ersten (3) und zweiten Hauptanschluss und mindestens einem Gateanschluss (4), der mit den Gateelektroden (5) der IGBT-Einheitszellen (2) in elektrischer Wirk verbindung steht, wobei die Gateelektroden (5) durch elektrisch paral lelgeschaltete Polysiliziumschichten gebildet werden, dadurch gekenn zeichnet, dass jeder IGBT-Chip (1) eine Fläche von mindesten 0.2 cm^-2 aufweist und dass die Polysiliziumschichten mit dem oder jedem Gate anschluss (4) in unmittelbarer Wirkverbindung verbunden sind.

2. Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass der Gateanschluss (4) in einer Ecke des IGBT-Chips (1) angeordnet ist.

3. Bipolartransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein den IGBT-Chip (1) umgebender, metallisierter Gaterahmen (8) vorge sehen ist, der mit dem Gateanschluss (4) elektrisch verbunden ist, und dass zwischen dem auf derselben Chipseite wie der Gateanschluss an geordneten, ersten Hauptanschluss (3) und dem Gaterahmen (8) bzw. dem Gateanschluss (4) eine Isolierung (7) vorgesehen ist.

4. Bipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gateanschluss (4) im wesentlichen im Zentrum des IGBT-Chips (1) angeordnet ist und von einer Isolierung (7) umgeben ist.