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DE10319515B4 - Trench IGBT - Google Patents

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DE10319515B4 DE2003119515 DE10319515A DE10319515B4 DE 10319515 B4 DE10319515 B4 DE 10319515B4 DE 2003119515 DE2003119515 DE 2003119515 DE 10319515 A DE10319515 A DE 10319515A DE 10319515 B4 DE10319515 B4 DE 10319515B4
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Abstract

Trench-IGBT aus wenigstens einer eine Emitterzone (3) eines ersten Leitungstyps, einen Bodybereich (2) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einen Bereich (1) des ersten Leitungstyps und einen Kollektorbereich (4) aufweisenden Zelle, bei welchem im Wesentlichen in jeder Zelle eine Gateelektrode (9, 10) wenigstens teilweise in einen Trench (6, 7) eingebracht ist und eine Emitterelektrode (12) in einem weiteren Trench (11), der in seinem unteren Gebiet wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht (14) versehen ist, die Emitterzone (3) durchsetzt und bis in den Bodybereich (2) hinein reicht, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Trench (11) bis in die Nähe des Bereiches (1) des ersten Leitungstyps reicht und im Bodybereich endet.Trench IGBT at least one of an emitter zone (3) of a first conductivity type, a body region (2) of a second, opposite to the first conductivity type Conductivity type, a region (1) of the first conductivity type and a Collector region (4) having cells, in which substantially in each cell, a gate electrode (9, 10) at least partially in a trench (6, 7) is inserted and an emitter electrode (12) in another trench (11), which in its lower region at least partially provided with an insulating layer (14), the emitter zone (3) interspersed and reaches into the body area (2) into it characterized in that the further trench (11) is close to the area (1) of the first conductivity type and ends in the body area.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trench-(Graben-)IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) aus wenigstens einer eine Emitterzone eines ersten Leitungstyps, einen Bodybereich eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einen Bereich des ersten Leitungstyps und einen Kollektorbereich aufweisenden Zelle, bei welchem im Wesentlichen in jeder Zelle eine Gateelektrode wenigstens teilweise in einen Trench eingebracht ist und eine Emitterelektrode in einem weiteren Trench, der in seinem unteren Gebiet wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht versehen ist, die Emitterzone durchsetzt und bis in den Bodybereich hineinreicht.The The present invention relates to a trench (trench) IGBT (bipolar transistor insulated gate) of at least one emitter zone of one first conductivity type, a body region of a second, the first Line type of opposite conductivity type, one area of the first Type of line and a collector region having cell, in which essentially a gate electrode at least partially in each cell is introduced into a trench and an emitter electrode in one another trench, at least partially in its lower part is provided with an insulating layer, passes through the emitter zone and reaches into the body area.

In der US 5 623 152 A ist ein Trench-IGBT beschrieben, bei dem Gateelektroden in Trenches untergebracht sind, die bis in den Bodybereich hineinragen. Auch eine Emitterelektrode ist in einem weiteren Trench vorgesehen, der die gleiche Tiefe wie die Trenches der Gateelektroden hat, jedoch in seinem unteren Bereich mit einer Isolierschicht ausgestattet ist, so dass die Emitterelektrode oberhalb des unteren Randes des Bodybereiches endet und ein Kurzschluss zu einem Drainbereich vermieden wird.In the US 5,623,115 describes a trench IGBT in which gate electrodes are housed in trenches that extend into the body area. An emitter electrode is also provided in a further trench, which has the same depth as the trenches of the gate electrodes, but is provided in its lower region with an insulating layer, so that the emitter electrode ends above the lower edge of the body region and prevents a short circuit to a drain region becomes.

In der EP 1 089 343 A2 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Trench erläutert, bei der ein mit einer Isolierschicht versehener Trench die gleiche Tiefe wie Gate-Trenches in einem Halbleiterkörper erreicht und Bodyzonen bei weitem durchsetzt.In the EP 1 089 343 A2 For example, a trench trench semiconductor device is disclosed in which a trench provided with an insulating layer reaches the same depth as gate trenches in a semiconductor body and widely traverses body zones.

Weiterhin ist aus der DE 44 35 458 C2 ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement bekannt, bei dem ein Kontaktbereich einer Basiszone als vergrabene Schicht ausgebildet ist und lateral über eine Sourcezone hinausragt.Furthermore, from the DE 44 35 458 C2 a field effect controllable semiconductor device is known in which a contact region of a base region is formed as a buried layer and protrudes laterally beyond a source zone.

Damit soll ein Einschalten eines parasitären Bipolartransistors weitgehend vermieden werden.In order to should a switching on a parasitic bipolar transistor largely be avoided.

Schließlich ist aus der US 5 894 149 A ein Trench-IGBT bekannt, bei dem Gateelektroden in Trenches untergebracht sind, die bis in den Halbleiterkörper hineinragen. Die Emitterzonen sind zusammen mit einem Bodybereich durch eine Emitter- bzw.Finally, out of the US Pat. No. 5,894,149 a trench IGBT is known in which gate electrodes are housed in trenches, which protrude into the semiconductor body. The emitter zones are together with a body region by an emitter or

Sourceelektrode kontaktiert. Zur Erhöhung der Durchbruchsfestigkeit sind im Halbleiterkörper zwischen den unteren Enden der Trenches der einzelnen Zellen Isolierschichten vergraben.source electrode contacted. To increase the Breakthrough resistance is in the semiconductor body between the lower ends the trenches of individual cells buried insulating layers.

Für gute Eigenschaften und insbesondere eine hohe Durchbruchsfestigkeit ist es bei Trench-IGBTs von Bedeutung, dass im gesamten Drainbereich eine möglichst konstante Ladungsträger- bzw. Plasmakonzentration vorliegt. Um diese zu erhalten, sollten bei einem n-leitenden Halbleiterkörper in diesen der Elektronen-Einlass und der Löcher-Auslass möglichst in einem engen Querschnitt erfolgen.For good properties and in particular a high breakdown strength is in trench IGBTs important that in the entire drain area as possible constant charge carrier or plasma concentration is present. To get these, should in an n-type semiconductor body in these the electron inlet and the hole outlet preferably done in a narrow cross-section.

Es hat sich auch gezeigt, dass eine große Kurzschlussfestigkeit bei einem Trench-IGBT dann erreicht werden kann, wenn das Kontaktloch für die Sourceelektrode bis tief in den Bodybereich hineinreicht. Dies bewirkt nämlich, dass dann die Löcher schnell in der Kontakt-Metallschicht der Emitterelektrode verschwinden und so ein relativ langer MOSFET mit guter Steuerbarkeit vorliegt, wodurch das Kurzschlussverhalten drastisch verbessert wird.It has also been shown to provide great short circuit strength a trench IGBT can then be achieved when the contact hole for the source electrode reaches deep into the body area. This causes that then the holes fast disappear in the contact metal layer of the emitter electrode and such a relatively long MOSFET is present with good controllability, which the short-circuit behavior is drastically improved.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trench-IGBT zu schaffen, der sich durch eine große Kurzschlussfestigkeit auszeichnet.It It is an object of the present invention to provide a trench IGBT, which is characterized by a large Short circuit strength distinguishes.

Diese Aufgabe wird bei einem Trench-IGBT der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der weitere Trench bis in die Nähe des Bereiches des ersten Leitungstyps reicht und im Bodybereich endet.These Task is in a trench IGBT of the type mentioned in the present invention solved, that the further trench up to near the area of the first Type of line is sufficient and ends in the body area.

Dabei reicht der weitere Trench bis weit in den Bodybereich hinein und durchsetzt diesen nahezu, um kurz vor dem pn-Übergang zwischen dem Bodybereich und dem Bereich des ersten Leitungstyps zu enden. Der weitere Trench bildet so für die Sourceelektrode ein tiefes Kontaktloch, welches einen "Isolatorboden" hat. Dieser Isolatorboden bewirkt, dass die Ladungsträger- bzw. Plasmakonzentration an dem pn-Übergang zwischen dem Bodybereich und dem Bereich des einen Leitungstyps, also vorzugsweise an der Grenze der epitaktischen Schichten, homogen und hoch ist.there the further trench reaches far into the body area and almost penetrates this, just before the pn junction between the body area and the area of the first conductivity type to end. The further trench thus forms a deep one for the source electrode Contact hole having an "insulator floor". This insulator floor causes the charge carrier or plasma concentration at the pn junction between the body area and the region of the one conductivity type, that is preferably at the Limit of epitaxial layers, is homogeneous and high.

Die durch einen MOSFET gebildete Steuerstrecke des IGBTs hat so einen langen Kanal, so dass die Löcher schnell hinter dem Isolatorboden im Metall der Sourceelektrode verschwinden können.The a control path of the IGBT formed by a MOSFET has such a long channel, leaving the holes quickly disappear behind the insulator floor in the metal of the source electrode can.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:following The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 eine Schnittdarstellung eines Trench-IGBTs nach einem ersten Ausführungsbeispiel und 1 a sectional view of a trench IGBT according to a first embodiment and

2 eine Schnittdarstellung eines Trench-IGBTs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 a sectional view of a trench IGBT according to a second embodiment of the invention.

In den Figuren werden für einander entsprechende Teile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. Außerdem sei angemerkt, dass die angegebenen Leitfähigkeitstypen auch umgekehrt sein können. Das heißt, anstelle von p-Leitfähigkeit kann n-Leitfähigkeit und anstelle von n-Leitfähigkeit kann p-Leitfähigkeit gegeben sein. Als Halbleitermaterial sind Silizium, Siliziumcarbid, Verbindungshalbleiter usw. geeignet.In the figures are entspre for each other the same parts are used. It should also be noted that the indicated conductivity types can also be reversed. That is, n-type conductivity may be used instead of p-type conductivity, and p-type conductivity may be given instead of n-type conductivity. As a semiconductor material, silicon, silicon carbide, compound semiconductors, etc. are suitable.

In 1 ist eine Schnittdarstellung eines IGBTs nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein n--leitender Halbleiterkörper 1 aus Silizium ist auf seiner Oberseite mit einer einen Body- bzw. Pufferbereich 2 bildenden p-leitenden Schicht 2 und wiederum auf dieser mit einer eine Emitter- bzw. Sourcezone 3 bildenden n+-leitenden Schicht versehen. Auf der Unterseite des Halbleiterkörpers 1 sind eine p+-leitende Kollektorschicht 4 und optional eine n- leitende Feldstopp-Schicht 5 vorgesehen. Die Schicht 5 kann gegebenenfalls auch entfallen.In 1 is a sectional view of an IGBT according to a first embodiment of the invention shown. An n - -type semiconductor body 1 Silicon is on its top with a body or buffer area 2 forming p-type layer 2 and again on this with an emitter or source zone 3 provided n + -conducting layer. On the bottom of the semiconductor body 1 are a p + -type collector layer 4 and optionally an n-type field stop layer 5 intended. The layer 5 may also be omitted.

Durch die Schichten 2 und 3 sind Trenches 6, 7 bis in den oberen Bereich des Halbleiterkörpers 1 eingebracht und mit einer Isolierschicht 8 aus beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid ausgekleidet. Im Inneren der Trenches 6, 7 befinden sich Füllungen 9, 10 aus vorzugsweise dotiertem polykristallinem Silizium, welche Gateelektroden bilden, an welchen eine Gatespannung +UG anliegt. Anstelle von polykristallinem Silizium kann gegebenenfalls auch ein geeignetes Metall verwendet werden.Through the layers 2 and 3 are trenches 6 . 7 into the upper region of the semiconductor body 1 introduced and with an insulating layer 8th made of, for example, silicon dioxide and / or silicon nitride. Inside the trenches 6 . 7 there are fillings 9 . 10 of preferably doped polycrystalline silicon, which form gate electrodes to which a gate voltage + U G is applied. Optionally, instead of polycrystalline silicon, a suitable metal may also be used.

Im Bereich zwischen den beiden Trenches 6, 7 ist ein weiterer Trench 11 gelegen, der bis in die Nähe des unteren Randes des Bodybereiches 2 reicht. Dieser Trench durchsetzt die Sourcezone 3 und dringt tief in den Bodybereich 2 ein. In den Trench 11 ist eine Metallisierung 12 aus beispielsweise Aluminium eingebracht, welche eine Source- bzw. Emitterelektrode bildet.In the area between the two trenches 6 . 7 is another trench 11 located close to the bottom of the body area 2 enough. This trench passes through the source zone 3 and penetrates deep into the body area 2 one. In the trench 11 is a metallization 12 made of, for example, aluminum, which forms a source or emitter electrode.

Auf der der Metallisierung 12 gegenüberliegenden Oberfläche, nämlich auf der Oberfläche der p+-leitenden Schicht 4 ist noch eine Kollektor- bzw. Drainmetallisierung 13 aus beispielsweise ebenfalls Aluminium vorgesehen. Diese Drainmetallisierung 13 ist mit einer Drainelektrode verbunden, an welcher eine Drainspannung +UD anliegt. Die Metallisierung 12 ist dagegen geerdet.On the metallization 12 opposite surface, namely on the surface of the p + -layer 4 is still a collector or drain metallization 13 made of, for example, also aluminum. This drain metallization 13 is connected to a drain electrode to which a drain voltage + U D is applied. The metallization 12 is earthed.

Der Boden des Trenches 11 ist mit einer Isolierschicht 14 aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid ausgelegt. Diese Isolierschicht 14 kann dünner sein als die Isolierschicht 8. Es ist aber auch möglich, für die Isolierschicht 14 eine größere Dicke als die Dicke der Isolierschicht 8 vorzusehen. Die Dicke der Isolierschicht 14 sollte wenigstens einige nm betragen.The bottom of the trench 11 is with an insulating layer 14 made of silicon dioxide and / or silicon nitride. This insulating layer 14 may be thinner than the insulating layer 8th , But it is also possible for the insulating layer 14 a greater thickness than the thickness of the insulating layer 8th provided. The thickness of the insulating layer 14 should be at least a few nm.

Bei angelegten Spannungen +UG bzw. +UD bzw. Bezugspotential an die Füllungen 9, 10 bzw. die Metallisierung 13 bzw. die Metallisierung 12 werden Löcher aus der p+-leitenden Schicht 4 in den n--leitenden Halbleiterkörper 1 injiziert, welche dann den Halbleiterkörper 1 durchqueren, um in der Metallisierung 12 hinter der Isolierschicht 14 aufgenommen zu werden. Die Steuerstrecke durch den Bodybereich 2 besteht aus einem MOSFET, wie dies in Strichlinien angedeutet ist. Dieser MOSFET hat einen langen Kanal, so dass die Löcher schnell hinter der Isolierschicht 14 im Metall der Metallisierung 12 verschwinden können. Die Plasmakonzentration an der Grenze zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der Schicht 2 ist dabei homogen und hoch.At applied voltages + U G or + U D or reference potential to the fillings 9 . 10 or the metallization 13 or the metallization 12 become holes from the p + -layer 4 in the n - -type semiconductor body 1 which then injects the semiconductor body 1 traverse to in the metallization 12 behind the insulating layer 14 to be included. The tax route through the body area 2 consists of a MOSFET, as indicated in dashed lines. This MOSFET has a long channel, making the holes fast behind the insulating layer 14 in the metal of the metallization 12 can disappear. The plasma concentration at the boundary between the semiconductor body 1 and the layer 2 is homogeneous and high.

Das Ausführungsbeispiel von 2, das in einem Schnitt ebenfalls einen IGBT nach der vorliegenden Erfindung zeigt, unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle der Metallisierung 12 im Trench 11 eine Füllung 15 aus vorzugsweise dotiertem polykristallinem Silizium vorgesehen ist, wobei dieses polykristalline Silizium an seinem Rand mit dem Silizium des Bodybereiches 2 bzw. der Sourcezone 3 und der Isolierschicht 8 eine metallisch leitende Silizidschicht 16 aufweist. Diese Füllung 15 des Trenches 11 steht in leitender Verbindung mit einer Metallisierung 17 aus beispielsweise Aluminium auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung.The embodiment of 2 also showing an IGBT according to the present invention in a section differs from the embodiment of FIG 1 essentially by the fact that instead of the metallization 12 in the trench 11 a filling 15 is provided from preferably doped polycrystalline silicon, said polycrystalline silicon at its edge with the silicon of the body region 2 or the source zone 3 and the insulating layer 8th a metallically conductive silicide layer 16 having. This filling 15 of the trench 11 is in a conductive connection with a metallization 17 made of, for example, aluminum on the surface of the semiconductor device.

Gegebenenfalls kann noch eine p+-dotierte Zone 18 beispielsweise durch Ionenimplantation um den Bodenbereich des Trenches 11 eingebracht werden. Hierdurch wird die Absaugung der positiven Löcher zur Polyfüllung 15 über die metallisch leitende Silizidschicht 16 verbessert. Eine solche Zone 18 kann selbstverständlich auch bei Ausführungsbeispiel von 1 vorgesehen werden.Optionally, a p + -doped zone can still 18 for example, by ion implantation around the bottom of the trench 11 be introduced. As a result, the suction of the positive holes for poly filling 15 via the metallically conductive silicide layer 16 improved. Such a zone 18 can of course also in embodiment of 1 be provided.

Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 zeigen jeweils eine Zelle des Trench-IGBTs. Insgesamt kann dieser Trench-IGBT aus einer Mehrzahl solcher Zellen bestehen, in denen sich jeweils die Gate-Trenches 7, 8 und die Emitter- bzw. Source-Trenches 11 abwechseln. Das heißt, in den 1 und 2 schließen sich links und rechts an den Trench 7 bzw. den Trench 8 jeweils ein Trench 11 der nächsten Zelle an.The embodiments of the 1 and 2 each show one cell of the trench IGBT. Overall, this trench IGBT can consist of a plurality of such cells, in each of which the gate trenches 7 . 8th and the emitter or source trenches 11 alternate. That is, in the 1 and 2 close the left and right to the trench 7 or the trench 8th one trench each 11 to the next cell.

Die Isolierschicht 14 deckt vorzugsweise den gesamten Bodenbereich des Trenches 11 ab. Sie kann aber auch diesen Bereich nur teilweise belegen, so dass einzelne Gebiete des Bodens des Trenches 11 von der Isolierschicht 14 frei sind und hier die Metallisierung 12 bzw. die Füllung 15 direkt an den Bodybereich 2 angrenzt.The insulating layer 14 preferably covers the entire bottom area of the trench 11 from. However, it can only partially occupy this area, so that individual areas of the bottom of the trench 11 from the insulating layer 14 are free and here the metallization 12 or the filling 15 directly to the body area 2 borders.

11
HalbleiterkörperSemiconductor body
22
BodybereichBody area
33
Emitterzoneemitter region
44
p+-leitende Schichtp + -conducting layer
55
n-leitende Schichtn-type layer
66
Trenchtrench
77
Trenchtrench
88th
Isolierschichtinsulating
99
Trench-FüllungTrench filling
1010
Trench-FüllungTrench filling
1111
weiterer TrenchAnother trench
1212
Metallisierungmetallization
1313
Drain-MetallisierungDrain metallization
1414
Isolierschichtinsulating
1515
Trench-FüllungTrench filling
1616
Silizidschichtsilicide
1717
Metallisierungmetallization
1818
p+-leitende Zonep + -type zone

Claims (9)

Trench-IGBT aus wenigstens einer eine Emitterzone (3) eines ersten Leitungstyps, einen Bodybereich (2) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einen Bereich (1) des ersten Leitungstyps und einen Kollektorbereich (4) aufweisenden Zelle, bei welchem im Wesentlichen in jeder Zelle eine Gateelektrode (9, 10) wenigstens teilweise in einen Trench (6, 7) eingebracht ist und eine Emitterelektrode (12) in einem weiteren Trench (11), der in seinem unteren Gebiet wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht (14) versehen ist, die Emitterzone (3) durchsetzt und bis in den Bodybereich (2) hinein reicht, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Trench (11) bis in die Nähe des Bereiches (1) des ersten Leitungstyps reicht und im Bodybereich endet.Trench IGBT from at least one an emitter zone ( 3 ) of a first conductivity type, a body region ( 2 ) of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, an area ( 1 ) of the first conductivity type and a collector region ( 4 ), in which essentially in each cell a gate electrode ( 9 . 10 ) at least partially into a trench ( 6 . 7 ) and an emitter electrode ( 12 ) in another trench ( 11 ), which in its lower area at least partially with an insulating layer ( 14 ), the emitter zone ( 3 ) and into the body area ( 2 ), characterized in that the further trench ( 11 ) to the vicinity of the area ( 1 ) of the first conductivity type and ends in the body area. Trench-IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenbereich des weiteren Trenches (11) unterhalb der Isolierschicht (14) eine hochdotierte Zone (18) des zweiten Leitungstyps eingebracht ist.Trench IGBT according to claim 1, characterized in that in the bottom region of the further trench ( 11 ) below the insulating layer ( 14 ) a highly doped zone ( 18 ) of the second conductivity type is introduced. Trench-IGBT nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hochdotierte Zone (18) des zweiten Leitungstyps durch Ionenimplantation eingebracht ist.Trench IGBT according to claim 2, characterized in that the highly doped zone ( 18 ) of the second conductivity type is introduced by ion implantation. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (14) am Boden des weiteren Trenches (11) aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid besteht.Trench IGBT according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating layer ( 14 ) at the bottom of the further trench ( 11 ) consists of silicon dioxide and / or silicon nitride. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (9, 10) aus polykristallinem Silizium besteht.Trench IGBT according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the gate electrode ( 9 . 10 ) consists of polycrystalline silicon. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp ist.Trench IGBT according to one of Claims 1 to 5, characterized the first conductivity type is the n conductivity type. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Trench (11) eine Füllung (15) aus polykristallinem Silizium aufweist.Trench IGBT according to one of claims 1 to 6, characterized in that the further trench ( 11 ) a filling ( 15 ) of polycrystalline silicon. Trench-IGBT nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (15) aus polykristallinem Silizium von einer Silizidschicht (16) umgeben ist.Trench IGBT according to claim 7, characterized in that the filling ( 15 ) of polycrystalline silicon from a silicide layer ( 16 ) is surrounded. Trench-IGBT nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (15) aus polykristallinem Silizium an eine Source-Metallisierung (17) angrenzt.Trench IGBT according to claim 8, characterized in that the filling ( 15 ) of polycrystalline silicon to a source metallization ( 17 ) adjoins.
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