DE10053445C2 - IGBT mit einstellbarem Emitterwirkungsgrad und Schaltverhalten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen IGBT mit einem eine schwach dotierte Driftzone des einen Leitungstyps bildenden Halb­ leitersubstrat, einer in einer ersten Oberfläche der Driftzone eingebetteten Zone des anderen, zum einen Leitungstyp entgegen­ gesetzten Leitungstyps, einem in der Zone des anderen Leitungs­ typs vorgesehenen Zellenbereich aus einem hochdotierten Emitter­ anschluss des einen Leitungstyps und einer Gate-Elektrode, einer die Zone des anderen Leitungstyps und den Emitteranschluss kon­ taktierenden ersten Metallisierung, einem gegenüber zur Zone des anderen Leitungstyps an die Driftzone angrenzenden Bereich des einen Leitungstyps, einem gegenüber zur Driftzone an den Bereich des einen Leitungstyps angrenzenden Kollektorbereich des anderen Leitungstyps und einer gegenüber zu dem Bereich des einen Lei­ tungstyps auf einer Oberfläche des Kollektorbereiches vorgese­ henen zweiten Metallisierung, wobei der Bereich des einen Lei­ tungstyps aus zwei voneinander unabhängig herstellbaren Dotie­ rungsgebieten besteht, nämlich ausgehend von der zweiten Metalli­ sierung aus einem höher dotierten flachen Gebiet und aus einem niedriger dotierten tief diffundierten oder mittels Epitaxie her­ gestellten Gebiet. Die Gate-Elektrode kann dabei in einer Iso­ lierschicht oberhalb der Zone des anderen Leitungstyps zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Emitteranschluß oder in einem in die erste Oberfläche eingebrachten und mit einer Isolierschicht ausgelegten Graben (Trench-Struktur) vorgesehen sein.

Bei IGBTs können, wie bei anderen Halbleiterbauelementen, stati­ sche und dynamische Eigenschaften durch geeignete Maßnahmen, wie insbesondere Einstellung der Dosen für Dotierstoffe oder deren Konzentrationsprofile, festgelegt werden. Zu den statischen Ei­ genschaften zählt der Emitterwirkungsgrad, während ein Beispiel für dynamische Eigenschaften durch das Schaltverhalten gegeben ist.

Bekanntlich gibt es sogenannte PT-IGBTs (PT = Punch through bzw. Durchgriff) und NPT-IGBTs (NPT = Non-Punch-Through). Bei einem PT-IGBT hat der Kollektorbereich oder Rückseitenemitter eine deutlich höhere Dotierungsdosis (in der Größenordnung von 10¹⁵ Fremdatome cm^-2) als bei einem NPT-IGBT. Auch benötigt ein PT- IOBT zusätzlich noch eine gezielte Reduktion der Trägerlebens­ dauer.

Der Emitterwirkungsgrad wird bei einem IGBT mit einer n^--leiten­ den Driftzone auf der Kollektorseite im Allgemeinen durch das Verhältnis der Dosen für die Dotierstoffe eines p^--leitenden Kol­ lektorbereiches, auch Rückseitenemitter genannt, und eines vor diesem liegenden und an den Kollektorbereich angrenzenden n-lei­ tenden Bereiches bestimmt. Wird allerdings der n-leitende Bereich im Durchlassfall des IGBTs völlig mit Ladungsträgern über­ schwemmt, dann legt ganz wesentlich die für den Kollektorbereich gewählte Dosis des Dotierstoffes den Emitterwirkungsgrad fest.

Mit einer Absenkung der Dosis des p-leitenden Kollektorbereiches bzw. Rückseitenemitters des IGBTs ist zwangsläufig eine Verringe­ rung der Ladungsträgerkonzentration im überschwemmten Gebiet ver­ bunden. Wenn aber der vor dem Kollektorbereich liegende n-leitende Bereich nicht mehr mit Ladungsträgern überschwemmt ist, vermindert sich der Emitterwirkungsgrad plötzlich stark, und es ergeben sich für den IGBT sehr hohe Werte für die Kollektor-Emit­ ter-Sättigungsdurchlassspannung V_CEsat. Niedrige Dosen für den Do­ tierstoff können aufgrund schlechterer Reproduzierbarkeit dabei auch größere Schwankungen der Durchlassspannungswerte V_Cesat erge­ ben. Weiterhin ist mit einer niedrigen Dosis der Dotierung des p- leitenden Kollektorbereiches bzw. Rückseitenemitters zwangsläufig eine niedrige Oberflächenkonzentration dieses Bereiches ver­ knüpft, was zu höheren Kontaktwiderständen auf der Kollektorseite führt.

Bei NPT-IGBTs wird bisher der Emitterwirkungsgrad auf der Kollek­ torseite durch die Dosis der Dotierung des p-leitenden Kollektor­ bereiches bzw. Rückseitenemitters festgelegt. Dies gilt auch dann, wenn ein tief diffundiertes oder epitaktisches, n-leitendes Feldstoppgebiet angrenzend an den p-leitenden Kollektorbereich und vor der n^--leitenden Driftzone eingeführt wird, um das Schaltverhalten in Richtung auf ein weicheres Abschalten zu ver­ bessern. Gerade derartige Anforderungen an das Schaltverhalten können zu Dotierungskonzentrationen in einem solchen Feldstopp­ bereich führen, welche wiederum negative Auswirkungen auf den Emitterwirkungsgrad haben.

Aus DE 43 26 052 A1 ist ein IGBT der eingangs genannten Art be­ kannt. Bei diesem IGBT liegt die Dosis für die Dotierung des hö­ her dotierten flachen Gebietes, das als "Emitterbremse" wirkt, über etwa 10¹⁴ Ladungsträgern cm^-2.

Weiterhin ist aus der DE 42 13 423 A1 ein Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode bekannt, bei dem eine an eine p-leitende Drainzone angrenzende n-leitende Schicht eine Do­ tierungskonzentration von 10¹⁸ Ladungsträgern cm^-3 bei einer Schichtdicke von 5 µm hat. In der DE 196 44 504 A1 ist eine Halbleitervorrichtung beschrieben, bei der eine entsprechende n⁺-leitende Schicht eine Dosis von bis zu 5 × 10¹⁶ cm^-2 auf­ weist. Schließlich sind für solche Schichten aus der EP 0 746 040 A1 bei einem IGBT eine Phosphorkonzentration von 10¹⁷ cm^-2 und aus der EP 0 732 749 A2 für ebenfalls einen IGBT ei­ ne hohe Dotierungskonzentration ohne nähere Angaben bekannt.

Zusammenfassend erhält der Fachmann somit durch den Stand der Technik die klare Anweisung, für eine "Emitterbremse" eine Dosis von wenigstens über 10¹⁴ Fremdatomen cm^-2 vorzuse­ hen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen IGBT zu schaf­ fen, der hinsichtlich seines Emitterwirkungsgrades und seines Schaltverhaltens optimiert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem IGBT der eingangs genannten Art er­ findungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dosis für die Dotierung des höher dotierten flachen Gebietes höchstens 1 × 10¹¹ bis 1 × 10¹⁴ und vorzugsweise höchstens 3 × 10¹² bis 3 × 10¹³ Fremdatome cm^-2 beträgt. Bei dem erfindungsgemäßen IGBT liegt damit die Dotierungsdosis für die Emitterbremse um etwa wenigstens eine Größenordnung unterhalb der Dotierungsdosis beim Stand der Technik. Das flache Gebiet und der Kollektorbereich sind dabei vorzugsweise derart dotiert, dass das niedriger dotierte Gebiet im Durchlasszustand des IGBTs mit Ladungsträgern überschwemmt ist. In vorteilhafter Weise ist das Kollektorgebiet so hoch do­ tiert, dass der Kontaktwiderstand zu der zweiten Metallisierung vernachlässigbar ist. Damit werden auch die Vorteile des NPT- Konzepts, nämlich die Einstellung des Emitterwirkungsgrades nur durch die Dotierungsverhältnisse und ohne zusätzliche Le­ bensdauereinstellung ausgenutzt.

Durch die Aufteilung des Bereiches des einen Leitungstyps in zwei voneinander unabhängig herstellbare Dotierungsgebiete ist gewähr­ leistet, dass die Einstellung des Emitterwirkungsgrades mittels des höher dotierten flachen Gebietes und das Verhalten beim Ab­ schalten mittels des niedriger tief diffundierten oder mittels Epitaxie hergestellten Gebietes voneinander entkoppelt sind. Mit anderen Worten, der IGBT zeichnet sich durch die Einführung von zwei unabhängig voneinander herstellbaren Dotierungsgebieten aus, nämlich durch das höher dotierte flache Gebiet, das als "Emitter­ bremse" wirkt, und das niedriger dotierte tief diffundierte oder mittels Epitaxie hergestellte Gebiet, das als Feldstoppgebiet wirkt.

Bei einem IGBT mit einer n-leitenden Driftzone kann erfindungsge­ mäß durch geeignete Kombination der Dosen von n-leitenden Dotier­ stoffen, wie beispielsweise Phosphor, für das höher dotierte fla­ che Gebiet, also die Emitterbremse, und von p-leitenden Dotier­ stoffen, wie beispielsweise Bor, für den p-leitenden Kollektorbe­ reich bzw. Rückseitenemitter der Emitterwirkungsgrad des IGBTs so eingestellt werden, dass das vor dem höher dotierten flachen Ge­ biet liegende niedriger tief diffundierte oder mittels Epitaxie hergestellte Gebiet in gewünschter Weise mit Ladungsträgern im Durchlassfall überschwemmt wird, so dass hierdurch die Kollektor- Emitter-Sättigungsdurchlassspannung V_CEsat festgelegt wird. Dabei kann in vorteilhafter Weise die Kombination dieser beiden Dosen für die Dotierstoffe im p-leitenden Kollektorbereich und im höher dotierten flachen n-leitenden Gebiet so gewählt werden, dass aus­ reichend hohe, leichter beherrschbare Dosen verwendet werden kön­ nen und speziell für den p-leitenden Kollektorbereich bezw. Rück­ seitenemitter eine genügend hohe Randkonzentration mit einem niedrigen Kontaktwiderstand zu der Rückseitenmetallisierung mög­ lich wird. Das für ein weiches Abschalten des IGBTs gewählte niedriger dotierte, tief diffundierte oder mittels Epitaxie her­ gestellte Gebiet wird so hoch dotiert, dass im Durchlassfall des IGBTs dieses Gebiet völlig mit Ladungsträgern überschwemmt wird und den Emitterwirkungsgrad nicht wesentlich beeinflusst, wobei aber beim Abschalten die Ausbreitung des elektrischen Feldes in diesem Gebiet geeignet schnell abgebremst wird, so dass das ange­ strebte weiche Abschalten ermöglicht ist. Durch die dann noch in dem niedrig dotierten tief diffundierten oder mittels Epitaxie hergestellten Gebiet gespeicherten Ladungsträger wird der Rück­ gang des Laststromes in der letzten Phase des Abschaltvorganges verlangsamt, so dass ein plötzliches Abreißen des Stromes durch den IGBT und das Einsetzen von Schwingungsvorgängen unterdrückt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch den erfindungsgemäßen IGBT nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Schnittbild durch den erfingungsgemäßen IGBT nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Dotie­ rungskonzentrationen in dem IGBT von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen IGBT mit einem n^--leitenden Silizium-Substrat 3, einem n-leitenden tief diffundierten oder mittels Epitaxie hergestellten Gebiet 4, das als Feldstoppschicht wirkt, und einem höher als das Gebiet 4 dotierten n-leitenden flachen Gebiet 5, das als Emitterbremse dient. In dem n^--leitenden Substrat 3 sind eine p-leitende Zone oder Wanne 2, die als Basis dient und einen sperrenden pn-Übergang des IGBT mit dem Substrat 3 bildet, sowie ein n⁺-leitender Emitteranschluss 9 vorgesehen.

Im Bereich oberhalb der an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretenden Wanne 2 befindet sich in einer Isolierschicht 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid eine Gate-Elektrode 8, welche aus dotiertem polykristallinem Silizium bestehen kann. Der Emitteran­ schluss 9 und die Wanne 2 sind mit einer ersten bzw. Vordersei­ tenmetallisierung 1 aus beispielsweise Aluminium kontaktiert.

Auf der der Vorderseitenmetallisierung 1 gegenüberliegenden Seite befindet sich auf dem n-leitenden Gebiet 5 noch ein Kollektorbe­ reich 6 als Rückseitenemitter, der seinerseits mit einer zweiten oder Rückseitenmetallisierung 7 aus beispielsweise Aluminium ver­ sehen ist.

Anstelle der in Fig. 1 gezeigten planaren Zellstruktur kann selbstverständlich auch eine andere Zellstruktur, insbesondere eine Trench-Zelle, verwendet werden.

Eine solche Trench-Zelle mit einem Graben 11 ist in Fig. 2 ge­ zeigt. Hier wird die Gate-Elektrode 8 durch polykristallines Si­ lizium 12 gebildet, das sich in dem durch eine Gate-Oberschicht 13 ausgelegten Graben 11 befindet. Im übrigen sind hier entspre­ chende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verse­ hen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Dotierungskonzentratio­ nen in der Wanne 2, dem n^--leitenden Halbleitersubstrat 3, dem als Feldstoppschicht wirkenden Gebiet 4, dem als Emitterbremse dienenden Gebiet 5 und dem Kollektorbereich 6. Der Durchlasszu­ stand, in welchem im Halbleitersubstrat 3 und im Gebiet 4 Träger­ überschwemmung mit der Bedingung n = p gilt, ist durch eine Strichlinie angedeutet.

Im Einzelnen haben die Dosen bzw. Dotierungskonzentrationen fol­ gende Werte: Gebiet 4 (Feldstoppschicht): maximal 5 × 10¹⁴ bis 5 × 10¹⁵ Fremdatome cm^-3, vorzugsweise höchstens 2 × 10¹⁵ Fremdatome cm^-3; Gebiet 5 (Emitterbremse): 1 × 10¹¹ bis 1 × 10¹⁴ Fremdatome cm^-2, vorzugsweise 3 × 10¹² bis 3 × 10¹³ Fremdatome cm^-2; und Kol­ lektorbereich 6 (Rückseitenemitter): 1 × 10¹² bis 3 × 10¹⁴ Fremda­ tome cm^-2, vorzugsweise 3 × 10¹²-5 × 10¹³ Fremdatome cm^-2.

Der dem Kollektorbereich 6 vorgelagerte n-leitende Bereich ist also in zwei Gebiete aufgeteilt, nämlich in das als Emitterbremse wirkende n-leitende Gebiet 5 und das wesentlich niedriger als dieses Gebiet dotierte und als Feldstoppschicht dienende Gebiet 4. Das Gebiet 4 sorgt für ein weiches Abschalten und ist in sei­ ner Dotierungskonzentration bzw. Dosis so gewählt, dass es im Durchlassfall mit Ladungsträgern vollkommen überschwemmt ist und den Emitterwirkungsgrad nicht wesentlich beeinflusst. Außerdem wird im dynamischen Fall bei einem Abschalten die Ausbreitung des elektrischen Feldes in dem Gebiet 4 ausreichend schnell gebremst. Das Gebiet 5 weist eine ausreichend hohe Dotierung auf, so dass für den Kollektorbereich 6 eine genügend hohe Randkonzentration mit einem niedrigen Kontaktwiderstand zu der Rückseitenmetalli­ sierung 7 möglich wird. Der Emitterwirkungsgrad kann daher so eingestellt werden, dass das Gebiet 4 in der gewünschten Weise mit Ladungsträgern im Durchlasszustand überschwemmt wird.

Bezugszeichenliste

1

Erste bzw. Vorderseitenmetallisierung

2

p-leitende Wanne

3

n^-

-leitendes Silizium-Substrat

4

n-leitendes Gebiet bzw. Feldstoppschicht

5

n-leitendes Gebiet bzw. Emitterbremse

6

p-leitender Kollektorbereich bzw. Rückseitenemitter

7

Zweite bzw. Rückseitenmetallisierung

8

Gate-Elektrode

9

Emitteranschluss

10

Isolierschicht

11

Graben

12

polykristallines Silizium

13

Gate-Oxidschicht

Claims (8)

1. IGBT mit:
einem eine schwach dotierte Driftzone (3) des einen Leitung­ styps bildenden Halbleitersubstrat,
einer in einer ersten Oberfläche der Driftzone (3) eingebette­ ten Zone (2) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegenge­ setzten Leitungstyps,
einem in der Zone (2) des anderen Leitungstyps vorgesehenen Zellenbereich aus einem hochdotierten Emitteranschluss (9) des einen Leitungstyps und einer Gate-Elektrode (8),
einer die Zone (2) des anderen Leitungstyps und den Emitteran­ schluss (9) kontaktierenden ersten Metallisierung (1),
einem gegenüber zu der Zone (2) des anderen Leitungstyps an die Driftzone (3) angrenzenden Bereich (4, 5) des einen Lei­ tungstyps,
einem gegenüber zur Driftzone (3) an den Bereich (4, 5) des einen Leitungstyps angrenzenden Kollektorbereich (6) des ande­ ren Leitungstyps und
einer gegenüber zu dem Bereich (4, 5) des einen Leitungstyps auf einer Oberfläche des Kollektorbereiches (6) vorgesehenen zweiten Metallisierung (7), wobei:
der Bereich (4, 5) des einen Leitungstyps aus zwei voneinander unabhängig herstellbaren Dotierungsgebieten besteht, nämlich ausgehend von der zweiten Metallisierung (7) aus einem höher dotierten flachen Gebiet (5) und aus einem niedriger dotierten tief diffundierten oder mittels Epitaxie hergestellten Gebiet (4),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dosis für die Dotierung des höher dotierten flachen Ge­ bietes (5) höchstens 1 × 10¹¹ bis 1 × 10¹⁴ und vorzugsweise höch­ stens 3 × 10¹² bis 3 × 10¹³ Fremdatome cm^-2 beträgt.

2. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorgebiet (6) so hoch dotiert ist, dass der Kon­ taktwiderstand zu der zweiten Metallisierung (7) vernachlässigbar ist.

3. IGBT nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration des niedriger dotierten Gebietes (4) höchstens 5 × 10¹⁴ bis 5 × 10¹⁵ und vorzugsweise höchstens 2 × 10¹⁵ Fremdatome cm^-3 beträgt.

4. IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis für die Dotierung des Kollektorbereiches (6) höch­ stens 1 × 10¹² bis 3 × 10¹⁴ und vorzugsweise höchstens 3 × 10¹² bis 5 × 10¹³ Fremdatome cm^-2 beträgt.

5. IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp ist.

6. IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-elektrode (8) in einer Isolierschicht (10) oberhalb der Zone (2) des anderen Leitungstyp zwischen dem Halbleitersub­ strat (3) und dem Emitteranschluss (9) vorgesehen ist.

7. IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode (8) in einem in die erste Oberfläche ein­ gebrachten und mit einer Isolierschicht (13) ausgelegten Graben (11) vorgesehen ist.

8. IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode aus polykristallinem Silizium (12) be­ steht.