DE102008024467B4

DE102008024467B4 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102008024467B4
Application number: DE102008024467A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kusunoki; Koichi Mochizuki; Minoru Kawakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: CN101312192B; US20080290407A1; CN102569372A; JP5138274B2; FR2916900A1; DE102008064779B3; DE102008064686B4; TWI472031B; DE102008064778B3; FR2916574B1; CN101814497A; DE102008024467A1; FR2916900B1; US9484444B2; CN101312192A; CN102569372B; KR20100085892A; CN101814497B; TW200908324A; KR101022300B1

Abstract

Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat (101), das einen ersten Graben (T1) hat; einem Isolierfilm (14b), der eine Innenfläche des ersten Grabens (T1) abdeckt; einem Halbleiterelement (EL), das eine Elektrode hat; und einem Widerstandselement (4t), das mit der Elektrode elektrisch verbunden ist, um einen Widerstand für einen durch die Elektrode hindurch strömenden Strom zu bilden, und das in dem ersten Graben (T1) mit dem dazwischen liegenden Isolierfilm (14b) angeordnet ist, einem Zwischenlagenisolierfilm (11), der ein Kontaktloch (9a, 9b) an einer Öffnungsseite des ersten Grabens (T1) des Widerstandselements (4t) hat, wobei das Widerstandselement (4t) an einer Position gegenüber dem Kontaktloch (9a, 9b) mit einem Abschnitt versehen ist, der eine Breite aufweist, die größer ist als eine minimale Breite eines Abschnittes gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm (11) des Widerstandselements (4t).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Kanalbereich, der durch einen Teil eines Halbleitersubstrates gebildet ist, und einer Elektrode.
Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Als Halbleitervorrichtungen sind Leistungshalbleiterchips wie zum Beispiel ein IGBT (Insolated-Gate-Bipolar-Transistor) und ein Leistungs-MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effekt-Transistor) vorhanden. Gates von diesen Halbleiterchips haben hauptsächlich eine ebene Gatestruktur oder eine Grabengatestruktur.
Im Stand der Technik besteht das Gate der Grabengatestruktur zum Beispiel aus polykristallinem Silizium. In den letzten Jahren wurden derartige Verfahren vorgeschlagen, die ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt verwenden, um einen Widerstand des Grabengates abzusenken. Zum Beispiel gemäß der Japanischen Patentanmeldung JP-2001-044435 A sind eine polykristalline Siliziumlage (d. h. eine Pufferlage) sowie ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt in einem Graben der Grabengatestruktur angeordnet.
Ein Widerstandselement, das als ein Gatewiderstand bezeichnet wird, kann mit dem Gate verbunden werden. Auch wenn der Gatewiderstand hinsichtlich des Halbleiterchips mit einer herkömmlichen Struktur außen angeordnet ist, wurde in den letzten Jahren vorgeschlagen, den Gatewiderstand im Inneren des Halbleiterchips anzuordnen.
Zum Beispiel hat die Japanische Patentanmeldung JP-2002-083964 A einen Gatewiderstand (innerer Gatewiderstand) vorgeschlagen, der im Inneren eines Halbleiterchips angeordnet ist. Gemäß dieser Offenlegungsschrift stabilisiert der innere Gatewiderstand, der zum Beispiel aus polykristallinem Silizium besteht, einen Schaltbetrieb der Halbleiterelemente, die parallel angeschlossen sind.
Zum Beispiel hat die Japanische Patentanmeldung JP-2003-197914 A eine Halbleitervorrichtung offenbart, bei der ein innerer Gatewiderstand, der zum Beispiel aus polykristallinem Silizium besteht, unter einem Gateanschluss angeordnet ist, d. h. in einem freiliegenden Abschnitt einer Verbindungselektrode außerhalb des Gates, wobei dazwischen ein Zwischenlagenisolierfilm ist. Gemäß dieser Offenlegungsschrift sorgt diese Struktur für eine Halbleitervorrichtung, die eine Fläche eines aktiven Bereiches eines Halbleitersubstrates nicht reduziert, sie hat einen inneren Gatewiderstand mit einer großen Fläche und sie kann eine Stromdichte eines Übergangsstrompulses unterdrücken.
Die vorstehend genannte Halbleitervorrichtung mit dem äußeren Gatewiderstand leidet an einem Problem einer erhöhten Anzahl der Bauteile. Außerdem ändert sich wahrscheinlich ein Potenzial einer Verbindung zwischen dem Gatewiderstand und dem Halbleiterchip aufgrund von äußeren Störgrößen, und diese Potenzialänderung beeinträchtigt direkt das Gate in dem Halbleiterchip ohne Einwirkung eines Gatewiderstands. Dies führt zu einem Problem, dass die Halbleitervorrichtung wahrscheinlich eine Fehlfunktion hat oder oszilliert.
Wenn zum Beispiel einige hundert bis zehntausend Gates in einem IGBT mit Strömen versorgt werden, strömt ein hoher Strom durch einen Gatewiderstand. In diesem Fall muß ein Strompfad des Gatewiderstands eine große Querschnittsfläche aufweisen, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Bei der Halbleitervorrichtung der japanischen Patentanmeldung JP-2002-083964 A , die vorstehend beschrieben ist, ist es erforderlich, die Breite oder eine Dicke des inneren Gatewiderstands zu vergrößern. Jedoch führt eine Vergrößerung der Dicke zu einem Problem, dass eine lange Zeit zum Ablagern eines Films erforderlich ist, der den inneren Gatewidestand ausbildet, und dass eine Verarbeitung oder Bearbeitung des so abgelagerten Filmes schwierig ist. Außerdem führt eine Vergrößerung der Breite zu einem Problem, dass Flächen des inneren Gatewiderstands und daher der Halbleiterchip vergrößert werden.
Gemäß dem inneren Gatewiderstand der japanischen Patentanmeldung JP-2003-197914 A , die vorstehend beschrieben ist, kann eine Fläche des Halbleiterchips reduziert werden, da sich der Gateanschluss und der innere Gatewiderstand miteinander überlappen, aber die Fläche kann höchstens nur durch eine Fläche des Gateanschlusses reduziert werden.
DE 103 61 714 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat, das einen ersten Graben hat; einem Isolierfilm, der eine Innenfläche des ersten Grabens abdeckt; einem Halbleiterelement, das eine Elektrode hat; und einem Widerstandselement, das mit der Elektrode elektrisch verbunden ist, um einen Widerstand für einen durch die Elektrode hindurch strömenden Strom zu bilden. Das Widerstandselement kann in dem ersten Graben mit dem dazwischen liegenden Isolierfilm angeordnet sein.
Eine weitere Halbleitervorrichtung ist aus der US-5 602 408 A bekannt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung mit einem Widerstandselement vorzusehen, die eine kleine Anschlussfläche aufweist und einen großen Strom mit hoher Zuverlässigkeit durchlassen kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung des Patentanspruchs 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch definiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A–1C zeigen ausschnittartige Schnitte, die schematisch eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
2 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3 zeigt eine ausschnittartige Draufsicht, die schematisch einen Abschnitt zeigt, der durch III in der 2 angegeben ist.
4 entspricht der 3, außer dass ein Gateanschluss, eine Gatehauptzwischenverbindung und ein Emitteranschluss (Emitterelektrode) in der 3 nicht gezeigt sind.
5 entspricht der 4, außer dass ein Zwischenlagenisolierfilm in der 4 nicht gezeigt ist.
6 entspricht der 5, außer dass polykristalline Siliziumlagen an einer Seite eines Gateanschlusses und einer Seite einer Hauptzwischenverbindung in der 5 nicht gezeigt sind.
7 entspricht der 6, außer dass ein Teil eines Gateoxidfilms und ein Teil eines Isolierfilms in der 6 nicht gezeigt sind.
8 zeigt schematisch eine Ersatzschaltung in einem Zustand, bei dem die Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung an einer Leiterplatte angeordnet ist.
9 stellt schematisch einen Verbindungszustand zwischen einem Gateanschluss der Halbleitervorrichtung und einem Anschluss der Leitertafel bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
10 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur eines Widerstandselementes in einer Abwandlung der Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung.
11–15 zeigen ausschnittartige Draufsichten, die schematisch Strukturen von Widerstandselementen in Abwandlungen der Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung zeigen.
16 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur einer Halbleitervorrichtung bei einem ersten Vergleichsbeispiel.
17 stellt schematisch einen Verbindungszustand zwischen einem Gateanschluss der Halbleitervorrichtung und einem Anschluss einer Leiterplatte bei dem ersten Vergleichsbeispiel dar.
18 zeigt eine Ersatzschaltung der Halbleitervorrichtung, die an der Leiterplatte bei dem ersten Vergleichsbeispiel angeordnet ist.
19 zeigt eine schematische, ausschnittartige Draufsicht einer Halbleitervorrichtung bei einem zweiten Vergleichsbeispiel. Die in der 19 gezeigte Fläche entspricht jener, die in der 5 gezeigt ist. Ein Gateanschluss, eine Gatehauptzwischenverbindung, ein Emitteranschluss und ein Zwischenlagenisolierfilm sind ähnlich wie in der 5 nicht gezeigt.
20 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang einer Linie XX-XX in der 19.
21 zeigt eine schematische, ausschnittartige Draufsicht einer Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die in der 21 gezeigte Fläche entspricht jener, die in der 6 gezeigt ist. Ein Gateanschluss, eine Gatehauptzwischenverbindung, ein Emitteranschluss, ein Zwischenlagenisolierfilm und polykristalline Siliziumlagen an einer Seite des Gateanschlusses und an einer Seite der Hauptzwischenverbindung sind, ähnlich wie in der 6, nicht gezeigt.
22–24 zeigen schematische Querschnitte entlang Linien XXII-XXII, XXIII-XXIII und XXIV-XXIV in der 21.
25 und 26 zeigen ausschnittartige Draufsichten, die schematisch Strukturen von Widerständen zeigen, die jeweils einen eingebetteten Metallabschnitt aufweisen, bei einer ersten und einer zweiten Abwandlung der Halbleitervorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
27A, 28A, 29A, 30A, 31A und 32A zeigen schematische Querschnitte eines ersten bis sechsten Schrittes bei einem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entlang einer Linie XXXIIA-XXXIIA in der 21.
27B, 28B, 29B, 30B, 31B und 32B zeigen schematische Querschnitte des ersten bis sechsten Schrittes bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entlang einer Linie XXXIIB-XXXIIB in der 21.
33A, 34A, 35A, 36A, 37A und 38A zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch einen ersten bis sechsten Schritt bei einem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung eines dritten Vergleichsbeispiels zeigen, und sie zeigen insbesondere eine Struktur nahe einem ebenen, inneren Gatewiderstand in einem Bereich entsprechend jenem, der entlang der Linie XX-XX in der 19 verläuft.
33B, 34B, 35B, 36B, 37B und 38B zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch den ersten bis sechsten Schritt bei dem Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung des dritten Vergleichsbeispiels zeigen, und insbesondere zeigen sie eine Struktur in einem Bereich entsprechend jenem, der entlang der Linie XXXIIB-XXXIIB in der 21 verläuft.
39 zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematisch eine Struktur nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
40–42 zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch Strukturen nahe den Widerstandselementen bei den Halbleitervorrichtungen der ersten bis dritten Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigen.
43–45 stellen Betriebe des Widerstandselementes bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
46 zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematisch eine Struktur nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einem vierten Vergleichsbeispiel zeigt.
47–49 zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch Strukturen des Widerstandselementes bei der ersten bis dritten Abwandlung der Halbleitervorrichtung des vierten Vergleichsbeispiels zeigen.
50 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur eines Widerstandselementes einer Halbleitervorrichtung gemäß einem sechsten Vergleichsbeispiel.
51 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur eines Widerstandselementes einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung des sechsten Vergleichsbeispiels.
52–55 zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch Strukturen nahe Widerstandselementen von Halbleitervorrichtungen gemäß einem siebten bis zehnten Vergleichsbeispiel zeigen.
56A zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematisch eine Struktur nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einem elften Vergleichsbeispiel.
56B zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematische eine Struktur nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung des elften Vergleichsbeispiels.
57A zeigt eine Ersatzschaltung des Widerstandselementes bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem elften Vergleichsbeispiel.
57B zeigt eine Ersatzschaltung des Widerstandselementes der Halbleitervorrichtung gemäß der Abwandlung des elften Vergleichsbeispiels.
58A stellt Spannungs/Strom-Charakteristika dar, die im Falle von (R₂ < RR₁ << R₀) durch die Widerstandselemente der Halbleitervorrichtungen gemäß dem elften Vergleichsbeispiel und dessen Abwandlung gezeigt werden.
58B stellt Spannungs/Strom-Charakteristika dar, die im Falle von (R₁ > R₂ >> R₀) durch die Widerstandselemente der Halbleitervorrichtungen gemäß dem elften Vergleichsbeispiel und dessen Abwandlung gezeigt werden.
59 und 60 zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch Strukturen nahe Widerstandselementen von Halbleitervorrichtungen gemäß einem zwölften und dreizehnten Vergleichsbeispiel zeigen.
61A und 61B zeigen schematische Draufsichten von Strukturen von Widerstandselementen von Halbleitervorrichtungen gemäß Abwandlungen des zwölften und dreizehnten Vergleichsbeispiel.
62 zeigt eine schematische Draufsicht einer Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einem vierzehnten Vergleichsbeispiel.
63 zeigt eine ausschnittartige Draufsicht, die schematisch einen Abschnitt zeigt, der durch LXIII in der 62 angegeben ist.
64 zeigt eine ausschnittartige Draufsicht, die schematisch ein ebenes Layout nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einem fünfzehnten Vergleichsbeispiel zusammen mit Pfeilen zeigt, die schematisch Stromflußrichtungen angeben.
65 zeigt eine ausschnittartige Draufsicht, die schematisch ein ebenes Layout nahe einem Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Abwandlung des fünfzehnten Vergleichsbeispiel zusammen mit Pfeilen zeigt, die schematisch Stromflußrichtungen angeben.
66 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Struktur einer Fühlerelektrode der Halbleitervorrichtung gemäß dem fünfzehnten Vergleichsbeispiel.
67 zeigt schematisch und ausschnittartig eine perspektivische Ansicht eines Schnitts einer Struktur nahe einer Gatehauptzwischenverbindung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem sechzehnten Vergleichsbeispiel.
68 zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematisch eine Struktur nahe einer Gatehauptzwischenverbindung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Abwandlung des sechzehnten Vergleichsbeispiels zeigt.
69 zeigt einen ausschnittartigen Querschnitt, der schematisch eine Struktur nahe einer Gatehauptzwischenverbindung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Abwandlung des sechzehnten Vergleichsbeispiels zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Zunächst wird eine schematische Struktur einer Halbleitervorrichtung eines ersten Ausführungsbeispieles beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C ist ein IGBT-Chip von diesem Ausführungsbeispiel eine Leistungshalbleitervorrichtung, und er hat ein IGBT-Element EL, das ein Grabengate– Halbleiterelement ist, und einen Innengatewiderstand 4t, der ein Widerstandselement ist.
Unter Bezugnahme auf die 1A und 1B ist ein Graben-Innengatewiderstand 4t in einem ersten Graben T1 ausgebildet, der an einem Halbleitersubstrat 101 mit einem dazwischen liegenden Isolierfilm 14b ausgebildet ist. Dadurch ist der Graben-Innengatewiderstand 4t so konfiguriert, dass eine Schnittfläche von seinem Strompfad beim Vergrößern der Tiefe des ersten Grabens T1 vergrößert wird.
Unter Bezugnahme auf die 1A und 1C hat ein IGBT-Element EL einen Kanalbereich, der durch einen Teil des Halbleitersubstrates 101 ausgebildet ist. Das IGBT-Element EL hat eine große Anzahl an Gateelektroden 13 zum Steuern des Kanalbereiches. Die Gateelektroden 13 haben zum Beispiel eine Anzahl von einigen Hundert bis einigen Zehntausend.
Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C und 2 sind die Gateelektroden 13 der jeweiligen Zellen des IGBT-Elementes EL durch eine Gatehauptzwischenverbindung 5 elektrisch miteinander verbunden. Die Gatehauptzwischenverbindung 5 ist mit einem Randabschnitt eines Gateanschlusses 1 über den Graben-Innengatewiderstand 4t elektrisch verbunden.
Dadurch ist der IGBT-Chip so konfiguriert, dass er eine Eingabe, die für den Gateanschluss 1 vorgesehen ist, zu jeder Gateelektrode 13 des IGBT-Elementes EL über den Graben-Innengatewiderstand 4t überträgt. Somit ist der Graben-Innengatewiderstand 4t mit der Gateelektrode 13 derart elektrisch verbunden, dass der Graben-Innengatewiderstand 4t einen Widerstand (Gatewiderstand) für einen Strom bildet, der durch die Gateelektrode 13 hindurch strömt. Dieser Gatewiderstand hat hauptsächlich Funktionen zum Verzögern eines Potenzials, das zu der Gateelektrode 13 übertragen wird, und zum Einstellen eines Anstiegs eines Stroms/einer Spannung zur Zeit des Schaltens des IGBT-Elements EL.
Die Gatehauptzwischenverbindung 5 hat eine polykristalline Siliziumlage 12b, die aus n-leitendem, polykristallinem Silizium besteht, das ein Gatematerial ist, das stark mit Fremdatomen dotiert ist. Die Gatehauptzwischenverbindung 5 hat eine Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b zum Reduzieren eines Widerstands der Zwischenverbindung. In einem Kontaktloch 9b an einer Seite der Hauptzwischenverbindung sind die polykristalline Siliziumlage 12b und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b miteinander in Kontakt, und sie sind elektrisch miteinander verbunden.
Spezifische Strukturen der Halbleitervorrichtung des Ausführungsbeispiels werden nun beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1A hat der IGBT-Chip ein Halbleitersubstrat 101 als eine Basis. Der IGBT-Chip hat das IGBT-Element EL einschließlich eines Teils des Halbleitersubstrates 101. Der IGBT-Chip hat den Isolierfilm 14b, den Graben-Innengatewiderstand 4t, einen Feldoxidfilm 7, polykristalline Siliziumlagen 12a und 12b, einen Zwischenlagenisolierfilm 11, eine Gateanschlussmetallage 10a und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b.
Der Feldoxidfilm 7 isoliert das Halbleitersubstrat 101 von den polykristallinen Siliziumlagen 12a und 12b, und er ist zum Beispiel durch ein LOCOS-Verfahren (Local Oxidation of Silicon) ausgebildet. Die Gateanschlussmetallage 10a und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b bestehen zum Beispiel aus einem leitenden Material mit einem geringen Widerstand, wie zum Beispiel eine Aluminiumlegierung.
Unter hauptsächlicher Bezugnahme auf die 1A, 1B und 7 hat das Halbleitersubstrat 101 den ersten Graben T1, der eine Innenfläche aufweist, die durch den Isolierfilm 14b abgedeckt ist. Somit deckt der Isolierfilm 14b den Boden und Seitenflächen des ersten Grabens T1 ab. Der Isolierfilm 14b isoliert elektrisch das Halbleitersubstrat 101 von dem Graben-Innengatewiderstand 4t, der in dem ersten Graben T1 angeordnet ist.
Zum Beispiel hat der erste Graben T1 eine Tiefe (eine Längsgröße in der 1A) von ungefähr 10 μm und eine Breite (eine seitliche Größe in der 1B) von ungefähr 1,2 μm, und er ist so konfiguriert, dass sich viele der ersten Gräben T1 parallel mit einer Teilung von 2,5 μm erstrecken, wie dies in der 7 gezeigt ist. Der Isolierfilm 14b hat eine Filmdicke, die im Vergleich mit den Größen des ersten Grabens T1 klein ist, und sie ist zum Beispiel in einem Bereich von einigen 10 μm bis 200 μm.
Da keine komplizierte Struktur zwischen benachbarten Graben-Innengatewiderständen 4t vorhanden ist, kann die Teilung der Gräben (erste Gräben T1) für die Graben-Innengatewiderstände 4t kleiner sein als die Teilung der Gräben (zweite Gräben T2) für die Gateelektroden 13. Somit kann die Teilung der ersten Gräben T1 klein sein, und sie ist zum Beispiel ungefähr gleich 2,5 μm.
Der Graben-Innengatewiderstand 4t besteht aus einem Material, das als ein elektrischer Widerstand verwendet wird, es besteht zum Beispiel aus n-leitendem, polykristallinem Silizium, das mit 1 × 10¹⁹/cm³ oder höher stark dotiert ist. Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat eine Breite, die zum Beispiel gleich einer Breite W1 (6) der Gateelektrode 13 ist, und er hat eine Funktion zum Ausüben eines Widerstands für einen Strom, der in einer Längsrichtung (d. h. in der seitlichen Richtung in der 6) strömt. Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat eine Tiefe (d. h. eine Größe in der Längsrichtung in den 1A und 1B) zum Beispiel in einem Bereich von 5 μm bis 20 μm.
Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat einen Widerstandswert, der von der Größe des Grabens abhängt, der mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t gefüllt ist, und er hängt außerdem von einer Dotierungskonzentration des n-leitenden, polykristallinen Siliziums ab, das den Graben füllt. Dieser Widerstandswert liegt in einem Bereich zum Beispiel von einigen hunderten Ohm bis einigen Kilo Ohm pro 1 mm Länge des Graben-Innengatewiderstands 4t.
Ein Graben-Innengatewiderstand 4t hat eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Strom in einem Bereich von einigen zehn bis einigen hunderten Milliampere hindurch tritt. Ein Graben-Innengatewiderstand 4t hat einen Widerstandswert von 1 kΩ pro 1 mm Länge, und er hat eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Strom bis zu 200 mA hindurch tritt. Der Widerstand von 8 Ω, der den Strom von bis zu 5 A durch läßt, kann dadurch erreicht werden, dass fünfundzwanzig Graben-Innengatewiderstände 4t verbunden werden, die parallel jeweils eine Länge von 200 μm aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die 1A und 1B ist der Graben-Innengatewiderstand 4t, der den ersten Graben T1 füllt, mit dem Zwischenlagenisolierfilm 11 abgedeckt, der sich an einer Öffnungsseite des ersten Grabens T1 befindet. Der Zwischenlagenisolierfilm 11 ist mit einem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und mit einem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung versehen.
In dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses ist die Gateanschlussmetallage 10a mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t über die polykristalline Siliziumlage 12a verbunden. In dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung ist die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t über die polykristalline Siliziumlage 12b verbunden.
Unter Bezugnahme auf die 1A und 3 hat die Gateanschlussmetallage 10a eine obere Seite mit einer Funktion als ein Gateanschluss 1. Insbesondere ist die obere Seite der Gateanschlussmetallage 10a so konfiguriert, dass sie eine Verbindung zu einer äußeren Zwischenverbindung durch eine Drahtverbindung oder dergleichen ermöglicht. Die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b bildet zusammen mit der polykristallinen Siliziumlage 12b die Gatehauptzwischenverbindung 5.
Unter Bezugnahme auf die 1A ist in dem Bereich, in dem das IGBT-Element EL ausgebildet ist, der IGBT-Chip mit dem Halbleitersubstrat 101, einem Gateisolierfilm 14a, der Gateelektrode 13, der polykristallinen Siliziumlage 12b, dem Zwischenlagenisolierfilm 11 und einem Emitteranschluss 18 vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf die 2 hat in einem Bereich, in dem der Emitteranschluss 18 ausgebildet ist, das IGBT-Element EL eine Struktur, die zum Beispiel aus einigen hundert bis einigen zehntausend Zellen ausgebildet ist. Jedes IGBT-Element EL hat eine Gateelektrode 13.
Unter Bezugnahme auf die 1A, 1C und 7 hat das Halbleitersubstrat 101 einen n-leitenden Emitterbereich 15, einen stark dotierten p-leitenden Bereich 16, einen p-leitenden Kanalbereich 17, einen leicht dotierten n-leitenden Driftbereich 8, einen n-leitenden Pufferbereich 20 und einen p-leitenden Kollektorbereich 19.
Das Halbleitersubstrat 101 hat einen zweiten Graben T2 mit einer Innenfläche, die durch den Gateisolierfilm 14a abgedeckt ist. Somit deckt der Gateisolierfilm 14a den Boden und Seitenflächen des zweiten Grabens T2 ab. Der Gateisolierfilm 14a isoliert elektrisch die Gateelektrode 13, die in dem zweiten Graben T2 angeordnet ist, von dem Halbleitersubstrat 101.
Zum Beispiel hat der zweite Graben T2 eine Tiefe (eine Größe in der Längsrichtung in der 1A) von ungefähr 10 μm und eine Breite (eine seitliche Größe in der 1C) von ungefähr 1,2 um, und er ist so konfiguriert, dass die vielen zweiten Gräben T2 sich parallel mit einer Teilung von 5,0 μm erstrecken, wie dies in der 7 gezeigt ist. Der Gateisolierfilm 14a hat eine Filmdicke, die verglichen mit den Größen des zweiten Grabens T2 klein ist, und sie ist zum Beispiel in einem Bereich von einigen Mikrometern bis 200 Mikrometern. Die Gateelektrode 13 besteht zum Beispiel aus n-leitendem, polykristallinem Silizium, das mit 1 × 10¹⁹/cm³ oder mehr stark dotiert ist.
Unter Bezugnahme auf die 1A, 1C und 5 ist die Gateelektrode 13 mit der polykristallinen Siliziumlage 12b in Kontakt. Dadurch ist die Gateelektrode 13 mit der Gatehauptzwischenverbindung 5 verbunden.
Unter Bezugnahme auf die 1A und 1C ist die Gateelektrode 13, die den zweiten Graben T2 füllt, mit dem Zwischenlagenisolierfilm 11 an der Öffnungsseite des zweiten Grabens T2 abgedeckt.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 ist der Zwischenlagenisolierfilm 11 mit einem Emitterkontaktloch 9d (d. h. ein Kontaktloch für einen Emitter) versehen, durch das der Emitteranschluss (Emitterelektrode) 18 mit dem n-leitenden Emitterbereich 15, dem stark dotierten, p-leitenden Bereich 16 und dem p-leitenden Kanalbereich 17 verbunden ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Struktur, wie sie in der 1A gezeigt ist, hat das Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses vorzugsweise einen Bereich, der sich mit einer Fläche des Graben-Innengatewiderstands 4t an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 überlappt. Somit hat der Zwischenlagenisolierfilm 11 ein Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses, das einen Teil des Kontaktloches 9a an der Seite des Gateanschlusses bildet und sich an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 des Graben-Innengatewiderstands 4t befindet.
Das Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung hat einen Bereich, der sich mit einer Fläche des Graben-Innengatewiderstands 4t an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 überlappt. Somit hat der Zwischenlagenisolierfilm 11 ein Kontaktloch 9bD an der Seite der Hauptzwischenverbindung, das einen Teil des Kontaktlochs 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung bildet und sich an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 des Graben-Innengatewiderstands 4t befindet.
Wie dies in den 1A und 2 gezeigt ist, isoliert der Zwischenlagenisolierfilm 11 den Gateanschluss 1 von der Gatehauptzwischenverbindung 5, und ein Strompfad zwischen dem Gateanschluss 1 und der Gateelektrode 13 wird im wesentlichen nur durch einen Strompfad gebildet, der sich durch den Graben-Innengatewiderstand 4t erstreckt. Der so gebildete Strompfad hat weder einen Strompfad, der durch eine Störkapazität oder durch eine Störinduktivität verursacht wird, noch einen kleinen Strompfad, der durch einen Isolator fließt.
Wie dies in den 1A bis 1C und 7 gezeigt ist, hat das Halbleitersubstrat 101 einen p-leitenden Bereich 21, der mit dem Isolierfilm in Kontakt ist und eine Leitfähigkeit aufweist, die entgegengesetzt zu jener des leicht dotierten n-leitenden Driftbereiches 8 des IGBT-Elementes EL ist. Insbesondere ist der p-leitende Bereich 21 mit Fremdatomen dotiert, um eine Leitfähigkeit zu erreichen, die entgegengesetzt zu jener des leicht dotierten n-leitenden Driftbereiches 8 ist, und die Konzentration dieser Fremdatome ist höher als jene der Fremdatome, mit denen der p-leitende Kanalbereich 17 des IGBT-Elementes EL dotiert ist, um die Leitfähigkeit zu erreichen, die entgegengesetzt zu jener des leicht dotierten n-leitenden Driftbereiches 8 ist.
Das Potenzial des p-leitenden Bereiches 21 wird so gesteuert, dass in dem p-leitenden Bereich 21 keine Inversionslage gebildet werden kann. Für diese Steuerung wird der p-leitende Bereich 21 zum Beispiel mit dem n-leitenden Emitterbereich 15 des IGBT-Elementes EL elektrisch verbunden.
Ein Verfahren zum Verwenden des IGBT-Chips gemäß dem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 ist eine Schaltung 100 des IGBT-Chips zum Beispiel in einer Schaltung 200 einer Leiterplatte für den Gebrauch eingebaut. Die Leiterplatte hat einen äußeren Emitteranschluss 3e, einen äußeren Gateanschluss 3g und einen äußeren Kollektoranschluss 3c, die aus einem leitenden Material mit einem niedrigen Widerstand wie zum Beispiel Gold bestehen.
Der Gateanschluss 1 des IGBT-Chips ist mit dem äußeren Gateanschluss 3g der Leiterplatte über einen Draht 2a verbunden, der aus Aluminium oder Gold besteht. Der Emitterbereich 15 (1C) und p-leitende Kollektorbereich 19 (1A) des IGBT-Chips sind mit dem äußeren Emitteranschluss 3e bzw. dem äußeren Kollektoranschluss 3c elektrisch verbunden. Ein Potenzial V_g wird auf den äußeren Gateanschluss 3g extern aufgebracht.
In der 8 stellen Symbole von Kapazitäten und Spulen Störkapazitäten und Störinduktivitäten des IGBT-Chips dar. Pfeile in der 8 stellen Pfade dar, die die Abgaben von dem Kollektor und dem Emitter des IGBT-Elementes EL zu der Gateelektrode über die Störkapazitäten und Störinduktivitäten zurück führen.
Die Halbleitervorrichtung von diesem Ausführungsbeispiel kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das im wesentlichen gleich dem Verfahren für eine Halbleitervorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispieles ist, das später beschrieben wird, außer, dass ein Teil des Verfahrens bei dem ersten Ausführungsbeispiel vereinfacht ist.
Eine Abwandlung der Struktur des Graben-Innengatewiderstands 4t bei diesem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 10 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t einen Abschnitt, der gegenüber dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses ist, und dieser Abschnitt hat eine Breite WE1, die größer ist als die Breite W1, die gleich einer minimalen Breite eines Abschnittes gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm 11 ist. Außerdem hat der Graben-Innengatewiderstand 4t einen Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung, und dieser Abschnitt hat eine Breite WE1, die größer ist als die Breite W1, d. h. die minimale Breite des Abschnittes gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm 11.
Bei dieser Abwandlung kann der Graben-Innengatewiderstand 4t eine andere Form haben, als sie in der 10 gezeigt ist, und zum Beispiel kann sie wahlweise Formen gemäß den 11 bis 15 haben. Auch wenn die 11 bis 15 Strukturen des Graben-Innengatewiderstands 4t nahe einem Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses zeigen, kann der Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung im wesentlichen die gleiche Struktur haben.
Ein erstes Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben.
Zuerst wird eine Struktur einer Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 16 hat ein IGBT-Chip, der die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel ist, einen Gateanschluss 1C und eine Gatehauptzwischenverbindung 5, die miteinander integriert sind. Da der Gateanschluss 1C und die Gatehauptzwischenverbindung 5 miteinander integriert sind, ist zwischen ihnen kein Widerstandselement vorhanden, das als ein Gatewiderstand dient.
Unter Bezugnahme auf die 17 wird ein äußerer Gatewiderstand 4e als ein Teil oder als eine unabhängige Komponente des IGBT-Chips vorbereitet, und er wird mit dem äußeren Gateanschluss 3g verbunden. Der äußere Gateanschluss 3g wird extern mit einem Potenzial V_g über den äußeren Gatewiderstand 4e versorgt, um das Potenzial der Gateelektrode zu steuern.
Unter Bezugnahme auf die 18 stellen Symbole von Kapazitäten und Spulen Störkapazitäten und Störinduktivitäten in einer Schaltung 100C des IGBT-Chips dar. Pfeile in der 18 stellen Pfade dar, die die Abgaben von dem Kollektor und dem Emitter des IGBT-Elementes EL zu der Gateelektrode über die Störkapazitäten und Störinduktivitäten zurück führen.
Der äußere Gatewiderstand 4e ist nicht zwischen der Gateelektrode des IGBT-Elementes EL und dem äußeren Gateanschluss 3g angeordnet. Somit ist kein äußerer Gatewiderstand 4e an den Pfaden vorhanden, die die Abgaben von dem Kollektor und dem Emitter de IGBT-Elementes EL zu der Gateelektrode zurück führen.
Wenn daher das Potenzial des äußeren Gateanschlusses 3g aufgrund von äußeren Störgrößen geändert wird, wird diese Änderung des Potenzials direkt zu der Gateelektrode des IGBT-Elementes EL über die Störinduktivitäten übertragen. Folglich beeinträchtigen die Störgrößen wahrscheinlich die Gateelektrode.
Wenn die vorstehend beschriebene Änderung zu der Gateelektrode des IGBT-Elementes EL zurück kehrt, das als ein Verstärker arbeitet, und zwar über die Pfade, die durch die Pfeile in der Figur angegeben sind, erhöht sich ein Wert Q, der durch die folgende Gleichung dargestellt wird.
Daher treten wahrscheinlich Schwingungen in einer Gate/Emitter-Spannung V_ge, einer Kollektor/Emitter-Spannung V_ce, einem Kollektorstrom I_c und dergleichen auf. In der vorstehend genannten Formel gibt L eine Störinduktivität an, C gibt eine Störkapazität an und R gibt einen Gatewiderstand an.
Dann wird ein zweites Vergleichsbeispiel beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 19 und 20 hat der IGBT-Chip, der die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel ist, einen ebenen Innengatewiderstand 4p, der sich zwischen dem Gateanschluss 1 und der Gatehauptzwischenverbindung befindet, und er dient als ein Gatewiderstand. Der ebene Innengatewiderstand 4p ist ein Widerstandselement einer ebenen Bauart, die an einem Feldoxidfilm 7 angeordnet ist, und er hat eine Fläche, die parallel zu der Substratfläche des Halbleitersubstrats 101 ist. Der ebene Innengatewiderstand 4p wird dadurch ausgebildet, dass ein polykristalliner Siliziumfilm mit einem Muster ausgebildet wird, der eine Filmdicke von zum Beispiel ungefähr einigen hunderten Nanometern hat.
Wenn Ströme den einigen hundert bis zehntausend Gateelektroden 13 des IGBT-Elementes EL zugeführt werden, muß der ebene Innengatewiderstand 4p zuverlässig einem großen Strom standhalten. Daher ist die Schnittfläche des Strompfades vergrößert, um einen übermäßigen Anstieg der Stromdichte zu verhindern. Zum Vergrößern der Schnittfläche ist es erforderlich, die Filmdicke (d. h. eine Größe in der Längsrichtung in der 20) des ebenen Innengatewiderstands 4p zu vergrößern oder die Breite (d. h. eine Größe in der Längsrichtung in der 19) davon zu vergrößern.
Zum Vergrößern der Filmdicke ist eine lange Prozeßzeit zur Filmbildung erforderlich. Zum Beispiel sind einige Stunden zum Ablagern des polykristallinen Siliziums mit einer Dicke von einigen hunderten Nanometern erforderlich, d. h. der Dicke des ebenen Innengatewiderstands 4p, die üblicherweise verwendet wird. Zum Vergrößern der Filmdicke auf einige Mikrometer ist die Ablagerungszeit von einigen zehn Stunden erforderlich, und dies erhöht die Herstellungskosten. Wenn der polykristalline Siliziumfilm vergrößert wird, wird es schwierig, eine Fokustiefe bei einem Photogravurprozeß zur Musterbildung und zum Beseitigen von Resten in einem Schritt (d. h. ein Abschnitt mit einem unterschiedlichen Niveau) bei einem Ätzprozeß zu gewährleisten.
Wenn der ebene Innengatewiderstand 4p eine große Breite hat, nimmt der ebene Innengatewiderstand 4p eine große Fläche der Substratfläche des Halbleitersubstrat 101 ein, was zu einem Konflikt mit einer Forderung zur Reduzierung der Größe der Halbleitervorrichtung führt.
Unter Bezugnahme auf die 20 hat der Feldoxidfilm 7, der unter dem ebenen Innengatewiderstand 4p angeordnet ist, üblicherweise eine Dicke von ungefähr 1 μm oder mehr. Da der Feldoxidfilm 7 eine niedrige thermische Leitfähigkeit hat, da er ein Oxidfilm ist, wird somit eine Filmdicke mit einer kleinen thermischen Leitfähigkeit unter dem ebenen Innengatewiderstand 4p ausgebildet. Diese Struktur verhindert eine Wärmeabstrahlung von dem ebenen Innengatewiderstand 4p, und eine Temperatur des ebenen Innengatewiderstands 4p wird angehoben, so dass sich der Widerstandswert wahrscheinlich aufgrund einer Temperaturabhängigkeit ändert.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 13 des IGBT-Elementes EL mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t elektrische verbunden. Dadurch kann der Graben-Innengatewiderstand 4t als ein Gatewiderstand der Gateelektrode 13 dienen.
Wie dies in den 1A und 1B gezeigt ist, ist der Graben-Innengatewiderstand 4t in einem ersten Graben T1 angeordnet. Durch Vergrößern der Tiefe des ersten Grabens T1 ist es daher möglich, die Größe in der Tiefenrichtung des Graben-Innengatewiderstands 4t zu vergrößern. Daher ist es möglich, die Stromdichte des Graben-Innengatewiderstands 4t zu reduzieren, während eine kleine Anschlussfläche (eine Fläche in der 6) des Graben-Innengatewiderstands 4t an der Substratfläche des Halbleitersubstrats 101 aufrecht erhalten wird, und die Zuverlässigkeit des Graben-Innengatewiderstands 4t kann erhöht werden.
Wie dies in der 8 gezeigt ist, ist der Gateanschluss 1 mit der Gateelektrode 13 über den Graben-Innengatewiderstand 4t verbunden. Daher werden die Änderungen des Potenzials, die durch Störgrößen verursacht werden, die auf den Gateanschluss 1 und den äußeren Gateanschluss 3g aufgebracht werden, der mit dem Gateanschluss 1 verbunden ist, durch den Graben-Innengatewiderstand 4t unterdrückt, wenn derartige Potenzialänderungen zu der Gateelektrode 13 übertragen werden.
Vorzugsweise ist ein Strompfad zwischen dem Gateanschluss 1 und der Gateelektrode 13 im wesentlichen nur durch einen Strompfad gebildet, der sich durch den Graben-Innengatewiderstand 4t hindurch erstreckt. Daher ist kein Strompfad vorhanden, der den Graben-Innengatewiderstand 4t umgeht, und es ist möglich, ein Absenken des wesentlichen Gatewiderstands und einen Fehler des IGBT-Chips aufgrund eines derartigen umgehenden Strompfades zu verhindern.
Wie dies in der 1A gezeigt ist, hat der Zwischenlagenisolierfilm 11 ein Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 des Graben-Innengatewiderstands 4t. Diese Struktur gewährleistet einen breiten elektrischen Pfad zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Graben-Innengatewiderstand 4t, und sie kann eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit aufgrund einer Stromkonzentration verhindern.
Wie dies in der 1A gezeigt ist, hat der Zwischenlagenisolierfilm 11 ein Kontaktloch 9bD an der Seite der Hauptzwischenverbindung, das sich an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 und an der Öffnungsseite des ersten Grabens T1 des Graben-Innengatewiderstands 4t befindet. Dies gewährleistet einen breiten elektrischen Pfad zwischen der Gatehauptzwischenverbindung 5 und dem Graben-Innengatewiderstand 4t, und es kann eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit aufgrund einer Stromkonzentration verhindern.
Wie dies in den 1A und 1C gezeigt ist, kann die Gateelektrode 13 eine Grabengatestruktur haben, da die Gateelektrode 13 in dem zweiten Graben T2 angeordnet ist. Da der zweite Graben T2 gleichzeitig mit dem ersten Graben T1 ausgebildet werden kann, können die Prozeßkosten zum Bilden der Grabengates reduziert werden.
Wie dies in den 1A und 1B gezeigt ist, hat das Halbleitersubstrat 101 einen p-leitenden Bereich 21 mit einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zu jener des leicht dotierten, n-leitenden Driftbereiches 8 des IGBT-Elementes EL ist. Diese Struktur kann eine Verschlechterung von Durchschlageigenschaften zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT-Elementes EL verhindern.
Vorzugsweise ist der p-leitende Bereich 21 mit Fremdatomen dotiert, um die Leitfähigkeit zu erreichen, die entgegengesetzt zu der Leitfähigkeit des leicht dotierten n-leitenden Driftbereiches 8 ist, und die Konzentration von diesem Fremdatomen ist höher als jene der Fremdatome, mit denen der p-leitende Kanalbereich 17 des IGBT-Elementes EL dotiert ist, um die Leitfähigkeit zu erreichen, die entgegengesetzt zu der Leitfähigkeit des leicht dotierten, n-leitenden Driftbereiches 8 ist. Dadurch kann der p-leitende Kanalbereich 17 zu der n-Leitfähigkeit invertiert werden, ohne dass der p-leitende Bereich 21 zu der n-Leitfähigkeit invertiert wird. Im Gegensatz zu dem zweiten Vergleichsbeispiel, bei dem der Feldoxidfilm 7 mit einer relativ großen Dicke von ungefähr 1 μm bis 2 μm zwischen dem Gatewiderstand und dem p-leitenden Bereich 21 vorhanden ist, ist nur der dünne Isolierfilm 14b mit ungefähr einigen zehn Mikrometern bis 200 Mikrometer zwischen dem Gatewiderstand und dem p-leitenden Bereich 21 bei diesem Ausführungsbeispiel vorhanden, und diese Struktur bewirkt relativ einfach die Umwandlung der Leitfähigkeit des p-leitenden Bereichs 21. Daher kann die vorstehend beschriebene Festlegung der Konzentrationen der Fremdatome einen größeren Effekt erreichen.
Das Potenzial des p-leitenden Bereichs 21 wird gesteuert, um eine Bildung der Inversionslage in dem p-leitenden Bereich 21 zu verhindern. Für diese Steuerung wird der p-leitende Bereich 21 zum Beispiel mit dem n-leitenden Emitterbereich 15 des IGBT-Elementes EL elektrisch verbunden. Diese Struktur kann eine Verschlechterung von Auswahleigenschaften zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT-Elementes EL verhindern.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines IGBT-Chips beschrieben, der eine Halbleitervorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispieles ist.
Unter Bezugnahme auf die 21 bis 24 hat der IGBT-Chip von diesem Ausführungsbeispiel einen Metallabschnitt 22. Der Metallabschnitt 22 hat Metallabschnitte 22b1 und 22b2, die im Inneren des ersten Grabens T1 angeordnet sind, und einen Metallabschnitt 22a, der im Inneren des zweiten Grabens T2 angeordnet ist. Ein Material des Metallabschnitts 22 hat einen kleineren Widerstand als ein Halbleitermaterial. wie zum Beispiel stark dotiertes, n-leitendes polykristallines Silizium. Das Material der Metallabschnitte 22 ist zum Beispiel ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie zum Beispiel Wolfram, Titan, Platin oder Kupfer.
Unter Bezugnahme auf die 24 hat die Gateelektrode 13 eine polykristalline Siliziumlage 12g und einen Metallabschnitt 22a, der einen Raum im Inneren der polykristallinen Siliziumlage 12g füllt.
Unter Bezugnahme auf die 22 und 23 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t einen eingebetteten Metallabschnitt 22b1 in einem Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses. Außerdem hat der Graben-Innengatewiderstand 4t einen eingebetteten Metallabschnitt 22b2 in einem Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9bD an der Seite der Hauptzwischenverbindung.
Der Abschnitt des Graben-Innengatewiderstands 4t außer den eingebetteten Metallabschnitten 22b1 und 22b2 ist aus einer polykristallinen Siliziumlage 12r ausgebildet. Die eingebetteten Metallabschnitte 22b1 und 22b2 sind über die polykristalline Siliziumlage 12r elektrisch miteinander verbunden.
Hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 21 befindet sich der Zwischenlagenisolierfilm 11 (23 und 24), der an dem Graben-Innengatewiderstand 4t angeordnet ist, zwischen dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung, was durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Der Abschnitt des Graben-Innengatewiderstands 4t gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm 11 hat eine minimale Breite W2. Die 21 zeigt anhand eines Beispiels eine Struktur, bei der der Abschnitt des Graben-Innengatewiderstands 4t gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm 11 eine konstante Breite W2 hat.
Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat einen Abschnitt, der dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses gegenüber liegt, und dieser Abschnitt hat eine Breite WE1, die größer ist als die Breite W2. Dieser Abschnitt mit der großen Breite WE1 hat eine Länge WE2, die größer ist als die Breite W2.
Unter Bezugnahme auf die 22 befindet sich der Abschnitt mit der Breite W2 unter dem Zwischenlagenisolierfilm 11, und er ist aus der polykristallinen Siliziumlage 12r ausgebildet. Der Abschnitt mit der Breite WE1 beinhaltet den Metallabschnitt 22b1 mit einem geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12r.
Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat einen Abschnitt, der dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung gegenüber liegt, und dieser Abschnitt hat eine Breite WE1, die größer ist als die Breite W2. Dieser Abschnitt mit der großen Breite WE1 hat eine Länge WE2, die größer ist als die Breite W2.
Unter Bezugnahme auf die 23 hat der Abschnitt mit der Breite WE1 den Metallabschnitt 22b2, der einen geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12r hat.
Unter Bezugnahme auf die 21 hat die Gateelektrode 13 die maximale Breite (d. h. die Größe in der Längsrichtung in der 21), die gleich der Breite W1 ist. Diese Breite W1 ist größer als die Breite W2. Die 21 zeigt anhand eines Beispiels eine Struktur, bei der die Gateelektrode 13 eine konstante Breite W1 hat.
Unter Bezugnahme auf die 24 hat der Abschnitt der Gateelektrode 13 mit der Breite W1 den Metallabschnitt 22a mit einem geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12g.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Eine Abwandlung der Struktur des Graben-Innengatewiderstands 4t gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben.
Die 25 und 26 zeigen ausschnittartige Draufsichten, die schematisch eine erste und eine zweite Abwandlung der Halbleitervorrichtung des zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung zeigen, und insbesondere zeigen sie Strukturen der Widerstandselemente mit den darin eingebetteten Metallabschnitten. Gestrichelte Linien in den 25 und 26 stellen ungefähre Positionsbeziehungen des Widerstandselementes hinsichtlich des Feldoxidfilms, des Kontaktloches an der Seite des Gateanschlusses und des Zwischenlagenisolierfilms dar.
Unter Bezugnahme auf die 25 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t bei der ersten Abwandlung einen Abschnitt, der gegenüber dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses liegt, und dieser Abschnitt hat eine Breite WE1, die größer ist als die Breite W2. Der Abschnitt mit der Breite WE1 hat einen Abschnitt mit einer Länge WE2, die größer ist als die Breite W2. Der Abschnitt mit der Breite WE1 des Graben-Innengatewiderstands 4t hat einen eingebetteten Metallabschnitt 22b1.
Unter Bezugnahme auf die 26 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t bei der zweiten Abwandlung viele Abschnitte, die dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses gegenüber liegen, und die jeweils eine Breite WE1 haben, die größer ist als die Breite W2. Jeder Abschnitt mit der Breite WE1 hat einen Abschnitt mit einer Länge WE2, die größer ist als die Breite W2. Jeder Abschnitt mit der Breite WE1 des Graben-Innengatewiderstands 4t hat einen eingebetteten Metallabschnitt 22b1.
Die erste und die zweite Abwandlung wurden im Zusammenhang mit den Strukturen beschrieben, bei denen ein Teil des Metallabschnitts 22 in dem Abschnitt eingebettet ist, der dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses gegenüber liegt. Der Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung kann im wesentlichen die gleiche Struktur haben, wie sie vorstehend beschrieben ist.
Ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung von diesem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 27A und 27B wird ein Zwischenlagenisolierfilm 11a, der aus einem Siliziumoxidfilm oder dergleichen besteht, an dem Halbleitersubstrat 101 abgelagert. Der Zwischenlagenisolierfilm 11a wird einen Teil des Zwischenlagenisolierfilms 11 bilden.
Der Zwischenlagenisolierfilm 11a ist als ein Muster durch das Photogravurverfahren ausgebildet. Der gemusterte Zwischenlagenisolierfilm 11a wird als eine Maske verwendet, und ein Ätzen wird an dem Halbleitersubstrat 101 bewirkt, um den ersten und den zweiten Graben T1 und T2 auszubilden. Die Zwischenlagenisolierfilme 14b und 14a werden durch Oxidation, Ablagerung und dergleichen an den inneren Flächen des ersten bzw. zweiten Grabens T1 und T2 ausgebildet.
Dadurch wird der erste Graben T1 mit der Breite W2 ausgebildet, der durch den Isolierfilm 14b abgedeckt ist. Außerdem wird der zweite Graben T2 mit der Breite W1 ausgebildet, der durch den Gateisolierfilm 14a abgedeckt ist.
Hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 28A und 28B wird eine polykristalline Siliziumlage 12, die stark mit Fremdatomen dotiert ist, an dem Halbleitersubstrat 101 abgelagert. Die abgelagerte polykristalline Siliziumlage 12 füllt vollständig einen Abschnitt mit der Breite W2 (27A) des ersten Grabens T1. Der Abschnitt mit der Breite WE1 des ersten Grabens T1 (d. h. ein Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses in der 22) wird nur teilweise gefüllt. Wie dies in der 28B gezeigt ist, wird der zweite Graben T2 nur teilweise gefüllt.
Unter Bezugnahme auf die 29A und 29B wird der Metallabschnitt 22, der aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt oder dergleichen besteht, an der polykristallinen Siliziumlage 12 an dem Halbleitersubstrat 101 abgelagert. Dies füllt vollständig einen partiellen Raum, der in dem Abschnitt mit der Breite WE1 des ersten Grabens T1 verbleibt (d. h. in dem Abschnitt gegenüber dem Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses in der 22). Außerdem wird der zweite Graben T2 vollständig gefüllt, wie dies in der 29B gezeigt ist.
Dann werden der Metallabschnitt 22 und die polykristalline Siliziumlage 12 nacheinander zurück geätzt.
Unter Bezugnahme auf die 30A und 30B legt die vorstehend beschriebene Rückätzung den Zwischenlagenisolierfilm 11a frei.
Unter Bezugnahme auf die 31A und 31B wird ein Zwischenlagenisolierfilm 11b an dem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet. Zum Beispiel wird bei einem Verfahren für diese Ausbildung ein BPSG-Film (Boron-Phospho-Silicate-Glass) abgelagert, und er wird einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um die Oberfläche des Isolierfilms abzuflachen. Der Zwischenlagenisolierfilm 11b wird einen Teil des Zwischenlagenisolierfilms 11 bilden.
Unter Bezugnahme auf die 32A und 32B werden die Zwischenlagenisolierfilme 11a und 11b wahlweise beseitigt, um das Emitterkontaktloch 9d, das Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses (21) und das Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung (21) auszubilden.
Dann wird ein Metallfilm, der aus einem Elektrodenmaterial wie zum Beispiel Aluminium oder eine Zusammensetzung davon besteht, abgelagert und als Muster ausgebildet, um den Emitteranschluss 18, die Gateanschlussmetallage 10a (22) und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b (23 und 24) auszubilden.
Durch die vorstehend beschriebene Verarbeitung wird der IGBT-Chip ausgebildet, der die Halbleitervorrichtung des Ausführungsbeispieles ist.
Der Schritt zum Ausbilden des n-leitenden Emitterbereiches 15, des stark dotierten, p-leitenden Bereiches 16, des p-leitenden Kanalbereiches 17 und dergleichen an dem Halbleitersubstrat 101 kann entweder vor oder nach dem Schritt zum Ausbilden des ersten und des zweiten Grabens T1 und T2 ausgeführt werden.
Dann wird ein Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung des dritten Vergleichsbeispiels beschrieben. Die Struktur von diesem Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Vergleichsbeispiel darin, dass der Metallabschnitt 22 hinzugefügt wird.
Unter Bezugnahme auf die 33A und 33B werden Schritte durchgeführt, die ähnlich den Schritten zum Ausbilden der Strukturen in den 29A und 29B sind, aber der erste Graben T1 wird im Gegensatz zu diesem Ausführungsbeispiel nicht ausgebildet. Wie dies in der 33A gezeigt ist, wird folglich ein ebener Innengatewiderstand 4p entlang einer ebenen Substratfläche des Halbleitersubstrats 101 anstelle des Graben-Innengatewiderstands 4t von diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf die 34A und 34B wird ein Photolack 31a auf das Halbleitersubstrat 101 aufgebracht. Wie dies in der 34A gezeigt ist, wird der Photolack 31a durch das Photogravurverfahren gemustert. Dadurch wird der Metallabschnitt 22 teilweise an dem ebenen Innengatewiderstand 4p freigelegt.
Unter Bezugnahme auf die 35A und 35B wird ein Ätzen an einem Abschnitt des Metallabschnitts 22 bewirkt, der nicht durch den Photolack 31a abgedeckt ist. Dies teilt den Metallabschnitt 22 in viele Bereiche, wie dies in der 35A gezeigt ist. Danach wird der Photolack 31a beseitigt.
Hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 36A und 36B wird der Photolack 31b auf das Halbleitersubstrat 101 aufgebracht. Der Photolack 31b wird durch das Photogravurverfahren so gemustert, dass der Photolack 31b einen Bereich abdeckt, in dem der ebene Innengatewiderstand 4p ausgebildet wird, und er legt einen Abschnitt nahe der Gateelektrode 13 frei. Ein Rückätzen wird nachfolgend an dem Metallabschnitt 22 und der polykristallinen Siliziumlage 12 (35B) bewirkt, um den Zwischenlagenisolierfilm 11a in jenem Bereich freizulegen, der durch den Photolack 31b nicht maskiert ist. Danach wird der Photolack 31b beseitigt.
Unter Bezugnahme auf die 37A und 37B wird der Zwischenlagenisolierfilm 11b an dem Halbleitersubstrat 101 ausgebildet. Zum Beispiel wird bei einem Verfahren zu dieser Ausbildung ein BPSG-Film (Boron-Phospho-Silicate-Glass) abgelagert und einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um die Oberfläche des Isolierfilms abzuflachen.
Unter Bezugnahme auf die 38A und 38B werden wahlweise die Zwischenlagenisolierfilme 11a und 11b geätzt. Dadurch werden Kontaktlöcher wie zum Beispiel das Emitterkontaktloch 9d ausgebildet. Dann werden der Emitteranschluss 18, die Gateanschlussmetallage 10a und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b ausgebildet.
Durch die vorstehend genannten Schritte wird die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel ausgebildet. Das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel erfordert die Schritte, die in den 34A und 34B sowie in den 35A und 35B gezeigt sind, um den Metallabschnitt 22 zu ätzen, der mit dem Photolack 31a maskiert ist, und somit erfordert es komplizierte Schritte.
Des weiteren ändert sich bei dem Ätzprozeß zum Beseitigen des Metallabschnitts 22 die Filmdicke des ebenen Innengatewiderstands 4p aufgrund von Änderungen beim Überätzen. Dies führt zu Änderungen des Widerstandswerts des ebenen Innengatewiderstands 4p, der als der Gatewiderstand dient.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Abschnitt des Graben-Innengatewiderstands 4t mit der Breite WE1 (21) den Metallabschnitt 22b1 in der Position, die dem Kontaktloch 9aD an der Seite des Gateanschlusses gegenüber liegt, und zwar zusätzlich zu der polykristallinen Siliziumlage 12r, wie dies in der 22 gezeigt ist. Dieser Metallabschnitt 22b1 hat einen geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12r. Diese Struktur schwächt eine örtliche Konzentration des Stroms zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Graben-Innengatewiderstand 4t ab und erhöht die Zuverlässigkeit des IBGT-Chips.
Der Abschnitt des Graben-Innengatewiderstands 4t mit der Breite WE1 (21) hat den Metallabschnitt 22b2 in der Position gegenüber dem Kontaktloch 9bD an der Seite der Hauptzwischenverbindung zusätzlich zu der polykristallinen Siliziumlage 12r, wie dies in der 23 gezeigt ist. Dieser Metallabschnitt 22b2 hat einen geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12r. Diese Struktur schwächt eine örtliche Konzentration des Stroms zwischen der Gatehauptzwischenverbindung 5 und dem Graben-Innengatewiderstand 4t ab und erhöht die Zuverlässigkeit des IGBT-Chips.
Wie dies in der 21 gezeigt ist, hat die Gateelektrode 13 eine Breite W1, die größer ist als die Breite W2 des Graben-Innengatewiderstands 4t. Wie dies in den 27A und 27B gezeigt ist, ist somit eine Breite W1 des Grabens zum Ausbilden der Gateelektrode 13 größer als die Breite W2 des Grabens zum Ausbilden des Graben-Innengatewiderstands 4t. Daher können derartige Zustände gleichzeitig erreicht werden, dass der Graben mit der Breite W2 vollständig durch die polykristalline Siliziumlage 12 gefüllt ist und dass der Abschnitt mit der Breite W1 nicht vollständig gefüllt ist. Wie dies in der 30 gezeigt ist, kann daher der Metallabschnitt 22a in jenem Abschnitt angeordnet sein, der nicht mit der polykristallinen Siliziumlage gefüllt ist.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist der Graben mit der Breite W2 vollständig mit der polykristallinen Siliziumlage 12 mit einem relativ hohen Widerstand gefüllt, so dass der Graben-Innengatewiderstand 4t mit einem ausreichend hohen Widerstandswert erreicht werden kann.
Des weiteren hat die Gateelektrode 13 den Metallabschnitt 22a mit einem geringeren Widerstand als die polykristalline Siliziumlage 12, so dass der elektrische Widerstand der Gateelektrode 13 reduziert werden kann. Dadurch können die Änderungen der Übertragungsverzögerung der Gatepotentiale in den Gateelektroden reduziert werden. Dies reduziert eine Zeit, in der ein Ein-Bereich und ein Aus-Bereich gleichzeitig bei dem Schaltbetrieb des IGBT-Elementes EL vorhanden sind. Daher ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, in der der Strom, der zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT-Elementes EL strömt, an einem Teil der Ein-Bereiche konzentriert wird. Dementsprechend kann eine örtliche Erwärmung in einem Teil der Ein-Bereiche unterdrückt werden, so dass der IGBT-Chip eine verbesserte Zuverlässigkeit haben kann.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines IGBT-Chips beschrieben, der eine Halbleitervorrichtung eines dritten Ausführungsbeispieles ist.
Unter Bezugnahme auf die 39 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t, der ein Widerstandselement der Halbleitervorrichtung von diesem Ausführungsbeispiel ist, als ein Hauptelement eine n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a. Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat eine n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a, die sich in Abschnitten befindet, die mit dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung in Kontakt sind.
Die Halbleitervorrichtung von diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Hauptabschnitt der eingebetteten Substanz des Graben-Innengatewiderstands 4t die polykristallinen Siliziumlagen mit einer Konzentration sind, die kleiner ist als bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel, und dass die Potenzialdifferenz zwischen dem Graben-Innengatewiderstand 4t und dem p-leitenden Bereich 21, der mit ihm in Kontakt ist, so eingestellt werden kann, dass die n-leitende leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a zumindest zwei Zustände von einem Akkumulationszustand, einem Sperrzustand und einem Inversionszustand erreichen kann.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements bei der Halbleitervorrichtung von diesem Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 43 und 45 geben V_23H und V_23L Potenziale an den entgegengesetzten Enden des Strompfads der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a an. V₂₁ gibt das Potenzial an der Seite des Isolierfilms 14b des Halbleitersubstrats 101 an, und es gibt das Potenzial des gleitenden Bereiches 21 an, wenn der p-leitende Bereich 21 bei dem Halbleitersubstrat 101 verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf die 43, wenn V₂₁ (V₂₁ > V_23L >> V_23H) erfüllt, ist die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a in dem Akkumulationszustand. Somit wird eine Akkumulationslage 32a durch Elektronen an der Fläche an der Seite des Isolierfilms 14b der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a ausgebildet. In diesem Fall werden Elektronen, d. h. Träger über die gesamte n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a so verteilt, dass die gesamte n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a den Strompfad in dem Graben-Innengatewiderstand 4t bilden kann.
Unter Bezugnahme auf die 44, wenn V₂₁ (0 > (V₂₁ – V_23L) > (V_th mit V_23L)) gilt, erreicht die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a den Sperrzustand. Somit wird eine Sperrlage 32d an der Fläche an der Seite des Isolierfilms 14b der n-leitenden, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a ausgebildet. In diesem Fall bildet die Sperrlage 32d keinen Strompfad in dem Graben-Innengatewiderstand 4t, so dass der Widerstandswert des Graben-Innengatewiderstands 4t erhöht wird. In der vorstehend genannten Formel gibt V_th ein Potenzial an, das einen Schwellwert erreicht, der bestimmt, ob die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a den Strom durchlassen kann oder nicht.
Unter Bezugnahme auf die 45, wenn V₂₁ (0 > (V_th mit V_23H) > (V₂₁ – V_23H)) gilt, erreicht die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a den Inversionszustand. Insbesondere sind die Sperrlage 32d und eine Inversionslage 32i an der Fläche an der Seite des Isolierfilms 14b der n-leitenden, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a ausgebildet. In diesem Fall bildet die Sperrlage 32d keinen Strompfad in dem Graben-Innengatewiderstand 4t. Außerdem isoliert die Sperrlage 32d die Inversionslage 32i von dem Strompfad des Graben-Innengatewiderstands 4t. Daher wird der Widerstandswert des Graben-Innengatewiderstands 4t weiter erhöht.
Unter Bezugnahme auf die 40 unterscheidet sich der Graben-Innengatewiderstand 4t, der ein Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung einer ersten Abwandlung von dem Ausführungsbeispiel ist, von diesem Ausführungsbeispiel darin, dass die Struktur der ersten Abwandlung des weiteren eine p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b aufweist, die an Abschnitten angeordnet ist, die mit dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung in Kontakt sind.
Unter Bezugnahme auf die 41 hat der Graben-Innengatewiderstand 4t, der ein Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung einer zweiten Abwandlung des Ausführungsbeispieles ist,. als einen Hauptabschnitt eine p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, die ein Halbleiterbereich ist. Der Graben-Innengatewiderstand 4t hat die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, die an Abschnitten angeordnet ist, die mit dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung in Kontakt sind.
Unter Bezugnahme auf die 42 unterscheidet sich der Graben-Innengatewiderstand 4t, der ein Widerstandselement einer Halbleitervorrichtung einer dritten Abwandlung des Ausführungsbeispieles ist, von der zweiten Abwandlung von diesem Ausführungsbeispiel darin, dass die Struktur der dritten Abwandlung des weiteren eine n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a aufweist, die an Abschnitten angeordnet ist, die mit dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung in Kontakt sind.
Wenn der Gatewiderstand in dem Sperrzustand zum Zwecke einer Erreichung einer gewünschten Gateverzögerung sehr hoch ist, kann die Struktur zusammen mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t des ersten Ausführungsbeispieles und/oder dem Graben-Innengatewiderstand 4t (22 und 23) des zweiten Ausführungsbeispieles verwendet werden.
Wenn die Gateelektrode 13 durch Schritte ausgebildet wird, die sich von jenen des Graben-Innengatewiderstands 4t unterscheiden, kann das Dotieren des polykristallinen Siliziums mit unterschiedlicher Konzentration in jeweils unterschiedlichen Schritten durchgeführt werden. Dadurch können die Dotierungskonzentrationen der Gateelektrode 13 und der Gatehauptzwischenverbindung 5 erhöht werden, um die Widerstände abzusenken, so dass die Verzögerung und der Verlust in dem IGBT-Chip reduziert werden können.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die Potenzialdifferenz zwischen dem p-leitenden Bereich 21 und dem Graben-Innengatewiderstand 4t die Sperrlage an der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a des Graben-Innengatewiderstands 4t, so dass der Widerstandswert des Graben-Innengatewiderstands 4t eingestellt werden kann.
Da die n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a an dem Abschnitt ausgebildet wird, der mit dem Graben-Innengatewiderstand 4t in Kontakt ist, erhöht sich der Gatewiderstand im Laufe der Zeit eines Ausschaltvorgangs des IGBT-Elements EL. Dadurch kann die Überspannung des IGBT-Elements EL klein sein.
Bei der ersten und der dritten Abwandlung von diesem Ausführungsbeispiel ist der Graben-Innengatewiderstand 4t jeweils an dem elektrischen Kontaktabschnitt mit der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a und der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b vorgesehen. Dadurch verringert sich der Gatewiderstand in dem Akkumulationszustand, und insbesondere ist die Verzögerungszeit stabil, wenn das Potenzial (V_g < 0V) aufgebracht wird.
[Viertes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines Widerstandselements einer Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 46 hat der IGBT-Chip von diesem Vergleichsbeispiel einen Dioden-Innengatewiderstand 4d als ein Widerstandselement. Der Dioden-Innengatewiderstand 4d hat eine p-leitende, stark dotierte polykristalline Silizumlage 24b, eine n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a und eine n-leitende, stark leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 24a. Die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a ist mit dem Gateanschluss 1 und der Gatehauptzwischenverbindung 5 über die p- und n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b und 24a jeweils elektrisch verbunden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Struktur hat der Dioden-Innengatewiderstand 4d von diesem Vergleichsbeispiel eine Diode (die durch ein Diodensymbol in der Figur dargestellt ist), die eine pn-Sperrfläche an der Grenzfläche zwischen der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b und der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a aufweist.
Bei diesem Vergleichsbeispiel ist ein Auswahlbereich der Konzentration der Fremdatome der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a breiter als bei dem dritten Vergleichsbeispiel. Die Konzentration der Fremdatome der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a bei dem dritten Vergleichsbeispiel ist so eingestellt, dass zumindest zwei von dem Inversionszustand, dem Akkumulationszustand und dem Sperrzustand erreicht werden, aber diese Beschränkung wird diesem Vergleichsbeispiel nicht auferlegt.
Strukturen außer die vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem dritten Vergleichsbeispiel, das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements bei der Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben. Bei einer Anfangsstufe und einer letzten Stufe des Schaltvorgangs des IGBT-Elements EL (in der 46 nicht gezeigt) ist die Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden des Dioden-Innengatewiderstands 4d klein, der der Gatewiderstand der Gateelektrode 13 ist (in der 46 nicht gezeigt). Die Diode zeigt einen hohen Widerstand, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode klein ist. In umgekehrter Weise erreicht die Diode einen kleinen Widerstand, wenn die Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden groß ist. Daher hat der Dioden-Innengatewiderstand 4d hohe Widerstandswerte während einer Anfangsstufe und einer letzten Stufe des Schaltvorgangs, wenn dies mit einer mittleren Stufe verglichen wird.
Abwandlungen der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels werden nun beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 47 hat der Dioden-Innengatewiderstand 4d bei einer ersten Abwandlung des Vergleichsbeispiels eine Diode (durch ein Diodensymbol in der Figur dargestellt), die eine pn-Sperrfläche an einer Grenzfläche zwischen der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b und der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a aufweist.
Unter Bezugnahme auf die 48 unterscheidet sich eine zweite Abwandlung des Vergleichsbeispiels von dem Vergleichsbeispiel darin, dass der Dioden-Innengatewiderstand 4d nicht im Inneren des Grabens des Halbleitersubstrats 101 angeordnet ist, aber er ist an dem Feldoxidfilm 7 ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf die 49 ist bei einer dritten Abwandlung des Vergleichsbeispiels die Art die Leitfähigkeit der Diode entgegengesetzt zu jener der zweiten Abwandlung.
Bei diesem Vergleichsbeispiel hat der Dioden-Innengatewiderstand 4d hohe Widerstandswerte während der Anfangsstufe und der letzten Stufe des Schaltvorgangs des IGBT-Elements EL, wenn dies mit der mittleren Stufe verglichen wird. Daher wird eine Erzeugung einer Überspannung unterdrückt. Dies sorgt für einen kleinen Verlust des IGBT-Chips.
Wenn das Störgrößensignal, das eine kleine Pulsbreite aufweist und sich schnell ändert, auf den Gateanschluss 1 aufgebracht wird, kann das Potenzial der Gateelektrode 13 ein geringeres Ansprechverhalten auf dieses Störgrößensignal haben, so dass eine Fehlfunktion des IGBT-Elementes EL unterdrückt werden kann.
Wenn die Konzentration der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a gemäß der 46 ähnlich wie bei dem dritten Vergleichsbeispiel ist, können Wirkungen erwartet werden, die ähnlich wie bei dem dritten Vergleichsbeispiel sind.
Der Dioden-Innengatewiderstand 4d von diesem Vergleichsbeispiel kann mit dem Widerstandselement, das der Ohm'sche Gatewiderstand ist, der bei dem ersten Vergleichsbeispiel verwendet wird, mit dem Widerstandselement, das bei dem dritten Vergleichsbeispiel verwendet wird und jenen Widerstandswert hat, der durch die Potenzialdifferenz hinsichtlich des p-leitenden Bereiches 21 geändert wird, oder mit einem herkömmlichen Widerstandselement kombiniert werden. Diese Kombination kann zum Beispiel durch eine parallele Verbindung erreicht werden.
Da in diesem Fall der Wert des Gatewiderstands gemäß dem Gatepotential oder der Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden des Gates fein gesteuert wird, ist es möglich, eine Schaltwellenform einer gewünschten Form oder nahezu mit der gewünschten Form zu erreichen.
[Fünftes Vergleichsbeispiel]
Ein Halbleiterelement gemäß einer Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel hat eine Diode ähnlich dem vierten Vergleichsbeispiel (46). Jedoch ist die Diode, die bei dem Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel enthalten ist, eine Zener-Diode, die eine n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a mit einer hohen Konzentration an Fremdatomen hat, und die eine umgekehrte Durchschlagspannung mit einem niedrigen Wert hat. Somit ist das Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel ein Gatewiderstand mit der Zener-Diodenbauart. Die Zener-Diode ist so konfiguriert, dass sie eine konstante Durchschlagspannung hat, wobei die umgekehrten Charakteristika verwendet werden.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem vierten Vergleichsbeispiel, und daher wird deren Beschreibung nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel wird die Gateelektrode 13 weder geladen noch entladen, wenn eine Störgröße, die kleiner als die Durchschlagspannung ist, auf das Gate aufgebracht wird. Dadurch kann die Fehlfunktion des IGBT-Chips unterdrückt werden.
[Sechstes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines Widerstandselements einer Halbleitervorrichtung eines sechsten Vergleichsbeispieles beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 50 und 51 stellen gestrichelte Linien ungefähr die Positionsbeziehungen des Widerstandselementes hinsichtlich des Kontaktlochs 9a an der Seite des Gateanschlusses, des Kontaktloches 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung und des Zwischenlagenisolierfilms 11 dar.
Unter Bezugnahme auf die 50 hat die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel viele Dioden, die als Widerstandselemente zwischen dem Kontaktloch 9a an der Seite des Gateanschlusses und dem Kontaktloch 9b an der Seite der Hauptzwischenverbindung dienen. Somit haben der Gateanschluss 1 (in der 50 nicht gezeigt) und die Gatehauptzwischenverbindung 5 (in der 50 nicht gezeigt) viele Widerstandselemente, die elektrisch parallel verbunden sind.
Diese vielen Dioden haben zumindest einen Innengatewiderstand 4f einer Vorwärtsdiodenbauart und zumindest einen Innengatewiderstand 4r einer Rückwärtsdiodenbauart. Die Begriffe ”Vorwärts” und ”Rückwärts” beziehen sich auf Polaritäten der Dioden hinsichtlich der Richtung von dem Gateanschluss 1 zu der Gatehauptzwischenverbindung 5.
Vorzugsweise unterscheiden sich die Graben-Innengatewiderstände 4t hinsichtlich der Anzahl der Innengatewiderstände 4r der Rückwärtsdiodenbauart.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem vierten und dem fünften Vergleichsbeispiel. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel können Wirkungen, die ähnlich wie bei dem vierten und dem fünften Vergleichsbeispiel sind, bei den Ein- und Aus-Zuständen des Schaltens des IGBT-Elementes EL erreicht werden.
Durch Verwenden der Innengatewiderstände 4f der Vorwärtsdiodenbauart, die sich hinsichtlich der Anzahl für die Innengatewiderstände 4r der Rückwärtsdiodenbauart unterscheiden, dienen die vielen Widerstandselemente zwischen dem Gateanschluss 1 und der Gatehauptzwischenverbindung 5 als das Widerstandselement mit den Widerstandswerten, die sich in Abhängigkeit von der Stromrichtung unterscheiden. Daher ist es möglich, das Widerstandselement mit jenem elektrischen Widerstand vorzusehen, der sich in Abhängigkeit von den Ein- und Aus-Zuständen des IGBT-Elementes EL ändert.
Wie dies in der Abwandlung gemäß der 51 durchgeführt wurde, kann das Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel jenes Widerstandselement, das der Ohm'sche Gatewiderstand ist, der bei dem ersten Vergleichsbeispiel verwendet wird, das Widerstandselement, das bei dem dritten Vergleichsbeispiel verwendet wird und jenen Widerstandswert hat, der durch die Potenzialdifferenz hinsichtlich des p-leitenden Bereiches 21 geändert wird, oder einen Innengatewiderstand 4i aufweisen, der ein herkömmliches Widerstandselement ist.
[Siebtes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines Widerstandselements einer Halbleitervorrichtung eines siebten Vergleichsbeispieles beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 52 hat ein IGBT-Chip von diesem Vergleichsbeispiel einen JFET-Innengatewiderstand 4j (Junction-Field-Effect-Transistor), der ein Widerstandselement einschließlich eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) ist. Der JFET-Innengatewiderstand 4j hat eine p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, die einen Kanalbereich bildet, einen Satz p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlagen 24b, die Source/Drain-Bereiche bilden, und eine n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 25, die ein Gate bildet.
Eine Elektrode 26 ist an der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 25 ausgebildet und mit dieser elektrisch verbunden. Die Elektrode 26 hat eine Funktion zum Steuern eines Potenzials der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 25.
Ein Betrieb des Widerstandselements von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben. Die Elektrode 26 steuert das Potenzial der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 25. Dadurch wird eine Tiefe (d. h. eine Größe in der Längsrichtung in der Figur) einer Ausdehnung einer Sperrlage 27 so gesteuert, dass der Widerstandswert des JFET-Innengatewiderstands 4j gesteuert wird.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten Vergleichsbeispiel. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel kann der Widerstandswert des Widerstandselementes durch äußeres Aufbringen eines Potenzialsignals auf die Elektrode 26 geändert werden.
Auch wenn der JFET-Innengatewiderstand 4j einschließlich des p-Kanal-JFET als das Widerstandselement beschrieben wurde, kann ein JFET-Innengatewidersatand einschließlich des n-Kanal-JFET verwendet werden.
Auch wenn der JFET-Innengatewiderstand 4j, der den ersten Graben T1 füllt, als das Widerstandselement beschrieben wurde, kann das Widerstandselement eine ebene Bauart sein.
Zum Erreichen von Wirkungen, die ähnlich wie bei dem sechsten Vergleichsbeispiel sind, kann die Anzahl der Elektroden 26, die mit n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 25 verbunden sind, in Abhängigkeit von den Ein- und Aus-Zuständen geändert werden.
[Achtes Vergleichsbeispiel]
Unter Bezugnahme auf die 53 hat ein IGBT-Chip eines achten Vergleichsbeispiels einen Innengatewiderstand 4k einer Sperrsteuerdiodenbauart als ein Widerstandselement.
Der Innengatewiderstand 4k der Sperrsteuerdiodenbauart hat eine pn-Sperrfläche an einer Grenzfläche zwischen der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b und der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a.
Dadurch hat der Innengatewiderstand 4k der Sperrsteuerdiodenbauart eine Struktur einschließlich einer Diode.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem siebten Vergleichsbeispiel ( 52), das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel kann der Widerstandswert des Widerstandselementes durch äußeres Aufbringen eines Potenzialsignals auf die Elektrode 26 geändert werden. Außerdem können Wirkungen erreicht werden, die ähnlich wie bei dem vierten und fünften Vergleichsbeispiel sind.
Der Innengatewiderstand 4k der Sperrsteuerdiodenbauart, der als das Widerstandselement verwendet wird, kann die Art der Leitfähigkeit haben, die entgegengesetzt zu der bereits beschriebenen ist.
Auch wenn der Innengatewiderstand 4k der Sperrsteuerdiodenbauart, der den ersten Graben T1 füllt, in der 53 gezeigt ist, kann das Widerstandselement die ebene Bauart sein.
Zum Erreichen von Wirkungen, die ähnlich wie bei dem sechsten Vergleichsbeispiel sind, kann die Anzahl der Elektroden 26, die mit der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 25 verbunden sind, in Abhängigkeit von den Ein- und Aus-Zuständen geändert werden.
[Neuntes Vergleichsbeispiel]
Unter Bezugnahme auf die 54 hat ein IGBT-Chip, der eine Halbleitervorrichtung eines neunten Vergleichsbeispieles ist, einen MOS-Gatewiderstand 4m (Metal Oxide Semiconductor), der ein Widerstandselement einschließlich eines MIS-Feldeffekttransistors (Metal Insulator Semiconductor) ist. Der IGBT-Chip hat eine Elektrode 26 zum Steuern eines Gatepotentials eines MOS-Gatewiderstands 4m an sich.
Der MOS-Gatewiderstand 4m hat eine p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, einen Satz n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlagen 24a, einen Innengatewiderstandssteuergateelektrode und einen Innengatewiderstandssteuergateisoliefilm 29.
Die p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b bildet einen Kanalbereich des MOS-Gatewiderstands 4m. Der Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a hat Funktionen als Source/Drain-Bereiche hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Kanalbereiches. Die Innengatewiderstandssteuergateelektrode hat eine Funktion zum Steuern einer Trägerkonzentration in dem Kanalbereich in Abhängigkeit von dem Potenzial der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28. Der Innengatewiderstandssteuergateisolierfilm 29 isoliert die Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 von der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b. Die Elektrode 26 hat eine Funktion zum Steuern des Potenzials der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28.
Strukturen außen den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei der dritten Abwandlung des vierten Vergleichsbeispiels (49), das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel kann der Widerstandswert des Widerstandselementes durch äußeres Aufbringen eines Potenzialsignales auf die Elektrode 26 geändert werden. Außerdem können Wirkungen erreicht werden, die ähnlich wie bei dem vierten und fünften Vergleichsbeispiels sind.
Auch wenn der MOS-Gatewiderstand 4m der n-Kanalbauart bei dem bereits beschriebenen Vergleichsbeispiel verwendet wird, kann der MOS-Gatewiderstand 4m die p-Kanalbauart sein.
Auch wenn die 54 den MOS-Gatewiderstand 4m der ebenen Bauart zeigt, kann das Widerstandselement der Grabenbauart verwendet werden, das den ersten Graben T1 füllt.
Der MOS-Transistor, der bei dem MOS-Gatewiderstand 4m enthalten ist, kann entweder die Anreicherungsbauart oder die Verarmungssbauart sein.
Zum Erreichen von Wirkungen, die ähnlich wie bei dem sechsten Vergleichsbeispiel sind, kann die Anzahl de Elektroden 26, die mit der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 verbunden sind, in Abhängigkeit von den Ein- und Aus-Zuständen geändert werden.
[Zehntes Vergleichsbeispiel]
Unter Bezugnahme auf die 55 hat ein IGBT-Chip, der eine Halbleitervorrichtung eines zehnten Vergleichsbeispieles ist, einen Gatewiderstand 4g einer Gatesteuerdiodenbauart als ein Widerstandselement. Der IGBT-Chip hat eine Elektrode 26 zum Steuern des Gatepotentials des Gatewiderstands 4g der Gatesteuerdiodenbauart an sich.
Der Gatewiderstand 4g der Gatesteuerdiodenbauart hat eine p-leitenden, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, eine p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b, eine n-leitende, stark leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 24a, eine Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 und einen Innengatewiderstandssteuergateisolierfilm 29.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem neunten Vergleichsbeispiel (54), das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß diesem Vergleichsbeispiel kann der Widerstandswert des Widerstandselementes durch äußeres Aufbringen des Potenzialsignals auf die Elektrode 26 geändert werden. Außerdem können Wirkungen erreicht werden, die ähnlich wie bei dem vierten und fünften Vergleichsbeispiel sind.
Auch wenn der Gatewiderstand 4g der Gatesteuerdiodenbauart der n-Kanalbauart bei diesem Vergleichsbeispiel verwendet wird, kann der Gatewiderstand 4g der Gatesteuerdiode die p-Kanalbauart sein.
Auch wenn die 55 den Gatewiderstand 4g der Gatesteuerdiodenbauart in der ebenen Bauart zeigt, kann das Widerstandselement der Grabenbauart verwendet werden, das den ersten Graben T1 füllt.
Zum Erreichen von Wirkungen, die ähnlich wie bei dem sechsten Vergleichsbeispiel sind, kann die Anzahl der Elektroden 26, die mit der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 verbunden sind, in Abhängigkeit von den Ein- und Aus-Zuständen geändert werden.
[Elftes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines Widerstandselements einer Halbleitervorrichtung eines elften Vergleichsbeispieles beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 56A hat die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel eine n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a, den Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und eine gleitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b. Dieses Widerstandselement ist an einem Isolierfilm IL ausgebildet. Der Isolierfilm IL ist ein Feldoxidfilm 7 oder ein Isolierfilm 14b. Die Halbleitervorrichtung hat einen Satz Metallagen 10 an dem Widerstandselement.
Ein Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a ist elektrisch miteinander über die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a elektrisch verbunden. Da die n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a die gleiche Art der Leitfähigkeit wie die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a hat, hat ein Abschnitt zwischen dem Satz der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlagen 23a eine Funktion als ein Innengatewiderstand 4i, der ein Ohm'scher Widerstand ist.
Die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b ist zwischen dem Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a angeordnet. Ein der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a, d. h. eine n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a an der linken Seite in der 56A ist mit der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b über die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a elektrisch verbunden.
Da die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b und die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a unterschiedliche Arten der Leitfähigkeit haben, ist eine pn-Sperre an einer Grenzfläche zwischen ihnen ausgebildet. Somit ist der Dioden-Innengatewiderstand 4d einschließlich jener Diode, deren Richtung von der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b zu der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a eine Vorwärtsrichtung ist, als p- und n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlagen 24b und 24a ausgebildet.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Struktur hat das Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel einen Bereich, in dem die Diode und der Ohm'sche Widerstand, der monolithisch ausgebildet ist, parallel angeordnet sind.
Eine aus dem Satz Metallagen 10, d. h. die Metallage 10 an der linken Seite in der Figur ist an der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24 an einer Seite, d. h. an der linken Seite in der Figur ausgebildet und mit dieser in Kontakt.
Die andere Metallage 10 an der rechten Seite in der Figur ist über die n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b ausgebildet und mit diesen in Kontakt. Die andere Metallage 10 ist von der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a durch den Zwischenlagenisolierfilm 11 elektrisch isoliert.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Struktur der anderen Metallage 10 hat ein Teil der anderen Metallage 10 eine Funktion als ein Ohm'scher Widerstand 30, der zwischen den anderen n-leitenden und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a und 24b parallel verbunden ist.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten bis zehnten Vergleichsbeispiel, die bereits beschrieben wurden. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels wird nun schematisch beschrieben.
Wenn die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b ein unteres Potenzial hat, dient das Widerstandselement als ein üblicher Innnengatewiderstand 4i unter Verwendung der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a als ein Widerstand.
Wenn die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b ein höheres Potenzial hat, wird die Beziehung zwischen dem Widerstandswert des parallel verbundenen Widerstands 30 und der Konzentration der Fremdatome der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a in geeigneter Weise so eingestellt, dass die parallelen Betriebe der Diode und des Widerstands erreicht werden.
Unter Bezugnahme auf die 56B befinden sich bei der Abwandlung von diesem Vergleichsbeispiel die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b und die n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a an einer Seite (d. h. an der linken Seite in der Figur) an den entgegengesetzten Seiten der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in der Figur). Die eine n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a an der linken Seite in der Figur ist mit der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b über die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a elektrisch verbunden.
Ein spezifischer Betrieb des Widerstandselements der Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben.
Die 57A und 57B zeigen Ersatzschaltungen der Widerstandselemente der Halbleitervorrichtungen gemäß dem elften Vergleichsbeispiel und dessen Abwandlung.
Unter Bezugnahme auf die 56A und 57A wird ein Potenzial V₀ durch die Metallage 10 an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in den Figuren) gehalten, und ein Potenzial V₁ wird durch. einen Abschnitt der Metallage 10 an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) und insbesondere in einem Abschnitt gehalten, der mit der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) in Kontakt ist. Ein Potenzial V_x wird durch einen Abschnitt der Metallage 10 an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) und insbesondere in einem Abschnitt gehalten, der mit der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) in Kontakt ist.
Ein Widerstand R₀ ist zwischen den n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in den Figuren) in dem Innengatewiderstand 4i vorhanden. Ein Widerstand R₁ ist zwischen den n-leitenden und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) in dem Innengatewiderstand 4i vorhanden. Ein Widerstand R₂ ist der Widerstand 30.
Ströme i₀, i₁ und i₂ strömen durch die entsprechenden Widerstände R₀, R₁ und R₂.
Unter Bezugnahme auf die 56B und 57B wird ein Potenzial V₁ durch einen Abschnitt der Metallage 10 an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) und insbesondere in einem Abschnitt gehalten, der mit der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b bei der Abwandlung von diesem Vergleichsbeispiel in Kontakt ist. Ein Potenzial V_x ist ein Potenzial eines Abschnittes, der mit n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a an der anderen Seite, d. h. an der rechten Seite in den Figuren, in Kontakt ist.
Der Widerstand R₀ ist zwischen dem Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a in dem Innengatewiderstand 4i vorhanden. Der Widerstand R1 ist der Widerstand 30. Der Widerstand R2 ist zwischen den n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in den Figuren) in dem Innengatewiderstand 4i vorhanden.
Unter Bezugnahme auf die 58A und 58B geben die Ordinaten in den Graphen die Ströme i₀, i₁ und i₂ an. Die Abszissen geben (V₁ – V_x) hinsichtlich den Strömen i₁ und i₂ an, die durch gestrichelte Linien angegeben sind, und sie geben (V₁ – V₀) hinsichtlich des Stroms i₀ an. Φ gibt eine Funktion einer Spannungs/Strom-Charakteristika der Diode an.
Ein Spannungsabfall (V₁ – V_x), der in dem Widerstand R₁ verursacht wird, der ein Teil der Widerstandskomponenten ist, spannt die Diode in Durchlaßrichtung vor, so dass ein Diodenstrom durchgelassen wird. Zum Starten dieses Durchlasses des Diodenstroms sind ein vorbestimmter Strom i_f und eine vorbestimmte Spannung V_f erforderlich. Bei diesem Betrieb wird eine Spannung (V₁ – V₀) auf das ganze Widerstandselement aufgebracht, um eine Beziehung (V₁ – V_x = V_f) einzurichten. Wenn ein Strom, der gleich oder größer ist als der Strom i_f, der durch die Diode hindurch strömt, strömt ein Strom in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Widerstand R₁ von einem Teil der Widerstandskomponenten und dem Widerstand R₂ an der Seite der Diode. Wenn jedoch der Strom durch die Diode strömt, bewirken die Widerstände R₀ und R₂ gemäß der 57B einen bipolaren Betrieb, so dass der Widerstand niedrig wird.
Falls (R₂ < R₁ << R₀) gilt, ist ein großer Strom I_f erforderlich. Daher strömt der Strom I₀, der gleich (V₁ – V₀)/(R₁ + R₀) ist, bis (V₁ – V₀) einen bestimmten großen Wert erreicht. Dann wird die Diode eingeschaltet, und der Widerstand R₂ wird abgesenkt. Somit tritt ein Snap-Back SB auf, das einen negativen Widerstand darstellt.
Wenn (R₁ > R₂ >> R₀) eingerichtet ist, wird die Diode auch dann eingeschaltet, wenn I_f klein ist, und daher tritt kein Snap-Back SB auf. Wenn ((V₁ – V₀) < 0) eingerichtet ist, strömt kein Strom durch die Diode, so dass der Strom (i₀ = (V₁ – V₀)/(R₁ + R₀)) strömt.
Bei diesem Vergleichsbeispiel hat das monolithische Widerstandselement die Diode und den Ohm'schen Widerstand parallel. Daher können Wirkungen, die gleich wie bei der Halbleitervorrichtung der Abwandlung (51) des sechsten Vergleichsbeispieles sind, durch eine kleine Fläche erreicht werden.
Wie dies in der 58A gezeigt ist, kann die Widerstandscharakteristik durch den Snap-Back SB erreicht werden. Wenn daher eine gewisse Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden des Widerstandselementes auftritt, kann das Snap-Back das Laden und Entladen zu/von der Gateelektrode 13 des IGBT-Elements EL beschleunigen. Wenn dies mit dem Vergleichsbeispiel verglichen wird, kann dessen Abwandlung das Snap-Back SB noch einfacher bewirken, sofern der Widerstand 30 nicht erhöht wird.
Zum Ändern des Widerstandswertes von zumindest einem Teil der n-leitenden, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a ist es wirksam, den Abstand zwischen den n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24a und 24b und außerdem die Konzentration der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a zumindest teilweise zu ändern.
Das Widerstandselement kann entweder die Grabenbauart oder die ebene Bauart sein, sofern die stark dotierte Lage in der Zwischenposition den Strompfad nicht unterbricht.
Eine Struktur, die durch Umkehren der Arten der Leitfähigkeit in der Struktur von diesem Vergleichsbeispiel erreicht wird, ist im wesentlichen gleichwertig zu der Erfindung.
[Zwölftes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur eines Widerstandselementes beschrieben, das bei einer Halbleitervorrichtung eines zwölften Vergleichsbeispieles verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf die 59 hat die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel als das Widerstandselement eine n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a, den Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und den Satz der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24b. Das Widerstandselement wird an dem Isolierfilm IL ausgebildet. Der Isolierfilm IL ist ein Feldoxidfilm 7 oder Isolierfilm 14b. Die Halbleitervorrichtung hat den Satz der Metallagen 10 an dem Widerstandselement.
Jede Lage der Sätze der n-leitenden und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b ist an der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a ausgebildet.
Die p- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24b und 24a befinden sich an der einen und an der anderen Seite (d. h. an der linken und an der rechten Seite in der Figur), und sie sind über einen Abschnitt mit einer Länge L1 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a elektrisch verbunden. Die n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b, die sich an der einen und an der anderen Seite (d. h. an der linken und an der rechten Seite in der Figur) befinden, sind über einen Abschnitt mit einer Länge L2 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a elektrisch verbunden.
Der Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a ist über einen Abschnitt der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlagen 23a mit einer Länge L3 elektrisch verbunden. Da die n-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24a und die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a die gleiche Art der Leitfähigkeit haben, hat der Abschnitt zwischen dem Satz der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlagen 23a die Funktion als ein Innengatewiderstand 4i, der als der Ohm'sche Widerstand dient.
Die n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in der Figur) sind durch eine Metallage 10 an der einen Seite elektrisch miteinander verbunden, wobei ein Widerstand 30 dazwischen angeordnet ist. Die n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in der Figur) sind durch eine Metallage 10 an der anderen Seite elektrisch miteinander verbunden, wobei ein Widerstand 30 dazwischen angeordnet ist.
Die pn-Sperrschichten sind an der Grenzfläche zwischen der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b und der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in der Figur) und der Grenzfläche zwischen der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlage 24b und der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in der Figur) ausgebildet.
Eine Diode des Diodenpaars hat die Polarität in der Vorwärtsrichtung hinsichtlich der Richtung des Strom, der von der Metallage 10 an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in der Figur) zu der Metallage 10 an der anderen Seite über die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b und die n-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23a an der einen Seite und außerdem die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 24b an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in der Figur) strömt. Die andere der Dioden hat die Polarität in der Rückwärtsrichtung hinsichtlich der selben Stromrichtung.
Bei der vorstehend beschriebenen Struktur hat das Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel ein Paar Bereiche mit der Diode und dem Ohm'schen Widerstand, die parallel sind, und diese Paarbereiche haben die Dioden mit den jeweils entgegengesetzten Polaritäten.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem elften Vergleichsbeispiel, das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements bei der Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben.
Wenn das Potenzial an einer Seite E1 der Metallage 10 an der einen Seite (d. h. an der linken Seite in der Figur) größer ist als an einer Seite E2 der Metallage 10 an der anderen Seite (d. h. an der rechten Seite in der Figur) wird die Diode in dem Bereich mit der Länge L1 in n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a durch eine darauf in der Vorwärtsrichtung aufgebrachte Spannung aktiviert. Außerdem wird die Diode in der Richtung mit einer Länge L2 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a durch die Spannung deaktiviert, die in der Rückwärtsrichtung aufgebracht wird.
Wenn im Gegensatz dazu das Potenzial an der Seite E1 kleiner ist als an der Seite E2, wird die Diode in dem Bereich mit der Länge L1 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a durch die Spannung deaktiviert, die in der Rückwärtsrichtung aufgebracht wird. Außerdem wird die Diode in dem Bereich mit der Länge L2 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a durch die Spannung aktiviert, die in der Vorwärtsrichtung aufgebracht wird.
Der Widerstand des Abschnitts mit der Länge L3 der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a wird ungeachtet der Potenzialbeziehung zwischen den Seiten E1 und E2 aktiv.
Bei diesem Vergleichsbeispiel kann der Widerstandswert des Widerstandselementes hinsichtlich den jeweiligen Spannungsrichtungen zwischen den Seiten E1 und E2 unabhängig von der anderen Richtung eingestellt werden, indem die Längen L1 und L2 geändert werden. Daher kann der Gatewiderstand in dem Ein-Zustand beim Schalten des IGBT-Elementes EL unabhängig von dem Gatewiderstand in dem Aus-Zustand eingestellt werden.
Ähnlich wie die Struktur des elften Vergleichsbeispieles, wie es in der 56A gezeigt ist, kann die negative Widerstandscharakteristik durch den Snap-Back erreicht werden, wenn die Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden des Widerstandselementes einen gewissen Wert erreicht. Dazu kann der Widerstand 30 der Metallage 10, der parallel angeschlossen ist, erhöht werden, der Widerstand von zumindest einem Teil der n-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a kann abgesenkt werden, oder ein Abstand zwischen den n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b kann reduziert werden, die durch die Metallage 10 verbunden sind.
Ähnlich wie die Beziehung zwischen den Strukturen in den 56A und 56B, die das elfte Vergleichsbeispiel darstellen, können die Positionen der n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b in der 59 miteinander ausgetauscht werden.
Das Widerstandselement kann entweder die Grabenbauart oder die ebene Bauart sein, sofern die stark dotierte Lage in der Zwischenposition den Strompfad nicht unterbricht.
Eine Struktur, die durch das Umwandeln der Arten der Leitfähigkeiten in der Struktur von diesem Vergleichsbeispiel erreicht wird, ist im wesentlichen gleichwertig zu der Erfindung.
[Dreizehntes Vergleichsbeispiel]
Zuerst wird eine Struktur des Widerstandselementes der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispieles beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 60 hat die Halbleitervorrichtung von dem Vergleichsbeispiel als das Widerstandselement eine p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b, den Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a, den Satz der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24b, einen Innengatewiderstandssteuergateisolierfilm 29 und eine Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28. Die Halbleitervorrichtung hat eine Elektrode 26 und den Satz der Metallagen 10 an dem Widerstandselement.
Der Satz der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24b ist an der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b angeordnet, und sie sind über die p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b elektrisch miteinander verbunden. Da die p-leitende, stark dotierte polykristalline Siliziumlage 2b die p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b die selbe Art der Leitfähigkeit haben, hat der Satz der p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24b die Funktion als ein gewöhnlicher Innengatewiderstand 4i.
Der Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a ist an der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b angeordnet. Der Innengatewiderstandssteuergateisolierfilm 29 und die Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 sind in dieser Reihenfolge an der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b angeordnet, die sich zwischen dem Satz der n-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a befindet. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Struktur hat das Widerstandselement von diesem Vergleichsbeispiel die MIS-Struktur, und sie hat im wesentlichen die gleiche Struktur wie der MOS-Gatewiderstand 4m (54) des neunten Vergleichsbeispiels.
Die Halbleiterlagen wie zum Beispiel die p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlage 23b bei der vorstehend beschriebenen MIS-Struktur sind an dem an dem Isolierfilm IL angeordnet. Somit hat das Widerstandselement eine Struktur einer SOI-Bauart.
Der IGBT-Chip hat die Elektrode 26 zum Steuern des Gatepotentials des MOS-Gatewiderstands 4m als solchen.
Ein Ende (d. h. das linke Ende in der Figur) des Abschnittes entsprechend dem Innengatewiderstand bei diesem Vergleichsbeispiel ist mit einem Ende des Abschnittes entsprechend dem MOS-Gatewiderstand 4m durch die Metallage 10 an der einen Seite elektrisch verbunden. Das andere Ende (d. h. das rechte Ende in der Figur) des Abschnittes entsprechend dem Innengatewiderstand 4 ist mit dem anderen Ende des Abschnittes entsprechend dem MOS-Gatewiderstand 4m durch die Metallage 10 an der anderen Seite elektrisch verbunden. Somit hat das Widerstandselement die Struktur, bei der der MOS-Gatewiderstand 4m und der Innengatewiderstand 4i parallel verbunden sind.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem elften Vergleichsbeispiel, das bereits beschrieben wurde. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements bei der Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben.
Wenn die Elektrode 26 das Signal aufnimmt, ändert sich das Potenzial der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28, um den Kanal der p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23b an der Seite des Innengatewiderstandssteuergateisolierfilms 29 zu steuern. Dadurch wird der Widerstandswert des Abschnittes entsprechend dem MOS-Gatewiderstand 4m extern gesteuert.
Durch Bereitstellen des Signals zu der Elektrode 26 zum Beseitigen des Kanals wird der Widerstandswert des Widerstandselementes maximiert und wird zu dem Widerstandswert des Innengatewiderstands 4i.
Durch Bereitstellen des Signals zu der Elektrode 26 zum Bilden des Kanals durch die Inversionslage wird in umgekehrter Weise der Strompfad, der durch den MOS-Gatewiderstand 4m hindurch tritt, zu dem Widerstandselement hinzugefügt, so dass sich der Widerstandswert verringert.
Gemäß dem Vergleichsbeispiel hat das Widerstandselement den Abschnitt entsprechend dem Innengatewiderstand 4i und den Abschnitt entsprechend dem MOS-Gatewiderstand 4m, die parallel verbunden sind. Dadurch kann der Widerstandswert des Widerstandselementes leicht extern geändert werden. Im Gegensatz zu dem neunten Vergleichsbeispiel (54) kann der maximale Wert des Widerstandswertes der Widerstandswert des Abschnittes entsprechend dem Innengatewiderstand 4i sein. Da der Abschnitt entsprechend dem Innengatewiderstand 4i und der Abschnitt entsprechend dem MOS-Gatewiderstand 4m in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 101 aufgeschichtet sind, kann das Widerstandselement an einem Abschnitt mit einer kleinen Fläche des Halbleitersubstrats 101 ausgebildet werden.
Auch wenn dieses Vergleichsbeispiel im Zusammenhang mit der parallelen Struktur des n-Kanal-MOS-Gatewiderstands 4m und des üblichen Innengatewiderstands 4i beschrieben wurde, der aus der p-leitenden Halbleiterlage besteht, ist die Kombination der Arten der Leitfähigkeiten des MOS-Gatewiderstands 4m und des üblichen Innengatewiderstands 4i nicht beschränkt.
Der MOS-Gatewiderstand 4m kann entweder die Anreicherungsbauart oder die Verarmungsbauart sein.
Das Widerstandselement kann entweder die ebene Bauart oder die Grabenbauart sein.
Bei dem elften bis dreizehnten Vergleichsbeispiel, die bereits beschrieben wurden, sind die Kombinationen der Strukturen bei dem ersten und dem dritten bis zehnten Vergleichsbeispiel monolithisch ausgebildet, aber die Kombination sind nicht auf die bereits beschriebenen Strukturen beschränkt.
Zum Beispiel kann der Dioden-Innengatewiderstand 4d durch einen Zehner-Dioden-Gatewiderstand ausgetauscht werden, der im Zusammenhang mit dem fünften Vergleichsbeispiel bereits beschrieben wurde. Der MOS-Gatewiderstand 4m kann durch einen JFET-Gatewiderstand 4j ausgetauscht werden. Die Konzentration der Fremdatome in dem Innengatewiderstand 4i kann eingestellt werden, wie dies bereits im Zusammenhang mit dem dritten Vergleichsbeispiel beschrieben wurde.
Die n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b können in einer Ebene angeordnet sein, das heißt in einer zweidimensionalen Art, und insbesondere in einer Richtung, die senkrecht zu einer Zeichenebene der jeweiligen Schnittansicht ist. Zum Beispiel können die Widerstandselemente des zwölften Vergleichsbeispiels (59) und des dreizehnten Vergleichsbeispiels (60) in einer Art und Weise angeordnet sein, wie dies in den 61A bzw. 61B gezeigt ist.
Bei den bereits beschriebenen Beispielen ist ein einziges Widerstandselement mit der n- oder p-leitenden, leicht dotierten polykristallinen Siliziumlage 23a oder 23b vorgesehen. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein gemeinsamer Kontakt für eine elektrische Verbindung der n- und p-leitenden, stark dotierten polykristallinen Siliziumlagen 24a und 24b mit der Metallage 10 verwendet werden, und dadurch kann die Siliziumlage verwendet werden, die sowohl n- und p-leitende, leicht dotierte polykristalline Siliziumlagen 23a und 23b aufweist.
[Vierzehntes Vergleichsbeispiel]
Das erste bis dreizehnte Vergleichsbeispiel wurden hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Widerstandselement an sich beschrieben, das der Gatewiderstand ist, der mit dem IGBT-Element EL verbunden ist. Bei dem tatsächlichen IGBT-Chip haben die Gatehauptzwischenverbindung 5 und die Gateelektrode 13 selbst elektrische Widerstände. Dementsprechend arbeiten die Gatehauptzwischenverbindung 5 und die Gateelektrode 13 als Störgatewiderstände.
Bei einem IGBT-Element EL mit vielen Gateelektroden 13 hat die Gateelektrode 13, die von dem Gateanschluss 1 entfernt ist, einen langen Zwischenverbindungspfad von dem Gateanschluss 1 und wird dadurch durch den Störgatewiderstand mit einem höheren Maß beeinträchtigt. In umgekehrter Weise wird die Gateelektrode 13 nahe dem Gateanschluss 1 kaum durch den Störgatewiderstand beeinträchtigt.
In Abhängigkeit von den Längen der Zwischenverbindungspfade von dem Gateanschluss 1 treten daher Differenzen der Ein/Aus-Wirkzeiten des IGBT-Elementes EL zwischen den Zellen auf, die zwischen den jeweiligen Gateelektroden 13 vorgesehen sind. Folglich kann sich der Strom an einem Teil der Zellen konzentrieren, und der Q-Wert hinsichtlich eines Teils eines Verstärkers, an dem sich der Strom konzentriert, erhöht sich, um Schwingungen zu verursachen, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf die 62 und 63 hat der IGBT-Chip, der die Halbleitervorrichtung von diesem Vergleichsbeispiel ist, viele Gateelektroden 13a bis 13d. Längen der Zwischenverbindungen, die den Gateanschluss 1 mit den Gateelektroden 13a, 13b, 13c bzw. 13d elektrisch verbinden, vergrößern sich in dieser Reihenfolge (d. h. in der Reihenfolge 13a, 13b, 13c und 13d).
Der IGBT-Chip hat einen Innengatewiderstand 4ia, der ein Widerstandselement ist, und außerdem einen Innengatewiderstand 4ib, der ein Widerstandselement mit einem kleineren Widerstandswert als der Innengatewiderstand 4ia ist. Der Gateanschluss 1 und ein Teil (der obere Teil in der 63) der Gatehauptzwischenverbindung 5 sind einstückig miteinander ausgebildet, und sie sind elektrisch miteinander verbunden.
Die Gateelektrode 13a und der Gateanschluss 1 sind über den Innengatewiderstand 4ia elektrisch miteinander verbunden.
Ein Abschnitt der Gateelektrode 13b nahe dem Gateanschluss 1 ist mit dem Gateanschluss 1 über den Innengatewiderstand 4ia elektrisch verbunden. Ein Abschnitt der Gateelektrode 13b, der von dem Gateanschluss 1 entfernt ist, ist mit dem Gateanschluss 1 über den Innengatewiderstand 4ib elektrisch verbunden.
Ein Abschnitt der Gateelektrode 13c nahe dem Gateanschluss 1 ist mit dem Gateanschluss 1 über den Innengatewiderstand 4ib elektrisch verbunden. Ein Abschnitt der Gateelektrode 13c, der von dem Gateanschluss 1 entfernt ist, ist mit dem Gateanschluss 1 elektrisch verbunden, ohne dass ein Innengatewiderstand dazwischen liegt.
Abschnitte der Gateelektrode 13c nahe und entfernt von dem Gateanschluss 1 sind mit dem Gateanschluss 1 elektrisch verbunden, ohne dass ein Innengatewiderstand dazwischen liegt.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlich gleich wie bei dem ersten bis dreizehnten Vergleichsbeispiel, die bereits beschrieben wurden. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Gemäß dem Vergleichsbeispiel hat der Innengatewiderstand 4ia, der mit der Gateelektrode 13a relativ nahe dem Gateanschluss 1 verbunden ist, den Widerstandswert, der größer ist als bei dem Innengatewiderstand 4ib, der mit den Gateelektroden 13b und 13c verbunden ist, die von dem Gateanschluss 1 relativ entfernt sind. Außerdem ist die Gateelektrode 13d, die von dem Gateanschluss 1 im wesentlichen am entferntesten ist, mit dem Gateanschluss 1 verbunden, ohne dass irgendeiner der Innengatewiderstände 41a und 41b dazwischen liegt.
Dadurch können die Änderungen des Störgatewiderstands, die vorstehend beschrieben sind, auf ein gewisses Maß beseitigt werden, und die Änderungen mit dem Grad oder einem Ausmaß der Verzögerung der elektrischen Signale in Abhängigkeit von den Zwischenverbindungspfaden von dem Gateanschluss 1 können reduziert werden. Daher ist es möglich, die Differenzen zu reduzieren, die bei der Übertragungsverzögerung zwischen den Potenzialsignalen auftreten können, die zu den jeweiligen Gateelektroden übertragen werden, und zwar aufgrund der Zwischenverbindungen zwischen dem Gateanschluss 1 und den jeweiligen Gateelektroden. Daher ist es möglich, den IGBT-Chip zu erreichen, der eine örtliche Stromkonzentration in dem Ein-Bereich des IGBT-Elementes EL reduziert und beständig gegen Schwingungen ist.
[Fünfzehntes Vergleichsbeispiel]
Das erste bis vierzehnte Vergleichsbeispiel wurden im Zusammenhang mit dem Widerstandselement beschrieben, das jeweils elektrisch mit der Gateelektrode 13 verbunden ist und als der Gatewiderstand dient. Jedoch ist die Elektrode, die elektrisch mit dem Widerstandselement verbunden ist, nicht auf die Gateelektrode 13 beschränkt, und das Widerstandselement kann mit einer anderen Elektrode verbunden sein, oder es kann zwischen Zwischenverbindungslagen angeordnet sein.
Hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 64 hat ein IGBT-Chip, der eine Halbleitervorrichtung eines fünfzehnten Vergleichsbeispieles ist, einen Emitteranschluss 18, der eine übliche Emitterelektrode (erste Emitterelektrode) ist, und eine Elektrode 26, die ein Fühleranschluss (zweite Emitterelektrode) ist. Der IGBT-Chip hat einen Nebenwiderstand (erstes Widerstandselement) 4s, das als ein Widerstandselement dient, und einen MOS-Gatewiderstand (zweites Widerstandselement) 4m. Der IGBT-Chip hat einen Draht 2a, der sich zu dem Gateanschluss 1 erstreckt, einen Draht 2b, der sich zu dem Emitteranschluss 18 erstreckt, und einen Kontakt 9 für eine elektrische Verbindung.
Unter Bezugnahme auf die 66 nimmt ein Fühleranschluss (Elektrode 26) einen geteilten Strom auf, der zum Beispiel gleich 1/100 des Emitterstroms ist. In der 66 gibt S einen Fühlerterminal an, E gibt einen Emitterterminal an, und C gibt einen Kollektorterminal an.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 64 verbindet der Nebenwiderstand 4s elektrisch den Emitteranschluss 18 mit dem Fühleranschluss (Elektrode 26). Dadurch hat der Nebenwiderstand 4s eine Funktion zum Erzeugen einer Potenzialdifferenz in Abhängigkeit von dem Strom, der durch den Nebenwiderstand 4s zwischen dem Emitteranschluss 18 und dem Fühleranschluss (Elektrode 26) strömt. Eine spezifische Struktur des Nebenwiderstands 4s kann gleich wie bei den Widerstandselementen des ersten bis dreizehnten Vergleichsbeispieles sein, die bereits beschrieben wurden.
Der MOS-Gatewiderstand 4m verbindet elektrisch den Gateanschluss 1 mit dem Emitteranschluss 18. Die Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 des MOS-Gatewiderstands 4m ist elektrisch mit dem Fühleranschluss (Elektrode 26) verbunden. Dadurch hat der MOS-Gatewiderstand 4m die Funktion zum elektrischen Verbinden des Gateanschlusses 1 mit dem Emitteranschluss 18 mit einem elektrischen Widerstand entsprechend dem Potenzial des Fühleranschlusses (Elektrode 26). Die Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 kann einstückig mit der Elektrode 26 sein.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten bis vierzehnten Vergleichsbeispiel, die bereits beschrieben wurden. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Ein Betrieb des Widerstandselements bei dem IGBT-Chip von diesem Vergleichsbeispiel wird nun beschrieben.
Wenn ein großer Strom durch den Nebenwiderstand 4s hindurch strömt, erhöht sich eine Potenzialdifferenz zwischen den entgegengesetzten Enden des Nebenwiderstands 4s. Wenn der MOS-Gatewiderstand 4m zum Beispiel ein Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET ist, werden dadurch der Gateanschluss 1 und der Emitteranschluss 18 kurzgeschlossen. Wenn der MOS-Gatewiderstand 4m zum Beispiel ein Verarmungs-p-Kanal-MOSFET ist, werden der Gateanschluss 1 und der Emitteranschluss 18 verbunden, wobei zwischen ihnen ein großer elektrischer Widerstand ist.
Unter Bezugnahme auf die 65 verbindet bei einer Abwandlung von diesem Vergleichsbeispiel der MOS-Gatewiderstand 4m elektrisch den Gateanschluss 1 mit einer Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b.
Bei diesem Vergleichsbeispiel ist es nicht erforderlich, einen Draht mit dem Fühleranschluss (Elektrode 26) im Gegensatz zu jener Struktur zu verbinden, bei der der Nebenwiderstand außerhalb des IGBT-Chips angeordnet ist. Dadurch kann die Fläche des Fühleranschlusses (Elektrode 26) reduziert werden, und die Größen des IGBT-Chips können reduziert werden. Außerdem kann ein übermäßiger Strom schnell erfaßt werden.
Die 64 und 65 zeigen das Beispiel, bei dem das an dem Fühleranschluss (Elektrode 26) erzeugte Signal direkt zu der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 des MOS-Gatewiderstands 4m übertragen wird. Jedoch ist die Struktur nicht auf diese Struktur beschränkt. Zum Beispiel kann eine logische Schaltung, die an einer Halbleiterlage ausgebildet ist, die elektrisch von dem Halbleitersubstrat 101 isoliert ist, dadurch erhalten werden, dass Energiestrahlen wie zum Beispiel Laserstrahlen auf eine amorphe Siliziumlage aufgebracht werden, die zum Beispiel an einem Isolierfilm abgelagert ist, und eine resultierende Abgabe von dieser Logikschaltung kann bei der Innengatewiderstandssteuergateelektrode 28 angewendet werden.
Wenn der Zener-Dioden-Gatewiderstand bei dem fünften Vergleichsbeispiel als der Nebenwiderstand 4s verwendet wird, kann die an dem Fühleranschluss erzeugte, abgegebene Spannung im wesentlichen konstant sein.
[Sechzehntes Vergleichsbeispiel]
Das erste bis fünfzehnte Vergleichsbeispiel wurden im Zusammenhang mit dem Beispiel beschrieben, bei dem verschiedene Widerstandselemente zwischen den vielen isolierten leitfähigen Lagen angeordnet sind. Die Grabenstruktur, die als der Strompfad bei dem ersten bis dritten Vergleichsbeispiel dient, ist zum Reduzieren des Störwiderstandswertes zum Beispiel der Gatehauptzwischenverbindung wirksam.
Unter Bezugnahme auf die 67 hat eine Gatehauptzwischenverbindung von diesem Vergleichsbeispiel eine Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b, einen Metallabschnitt 22 und eine polykristalline Siliziumlage 12. Das Halbleitersubstrat 101 hat einen Graben T3 mit einer Innenfläche, die durch einen Zwischenlagenisolierfilm 14 abgedeckt ist.
Zumindest ein Teil der Zwischenverbindung (der ersten Zwischenverbindung), die durch die polykristalline Siliziumlage 12 und dem Metallabschnitt 22 ausgebildet ist, ist in dem Graben T3 mit dem dazwischen liegenden Zwischenlagenisolierfilm 14 angeordnet. Die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b (zweite Zwischenverbindung) ist an dem Graben T3 angeordnet. Die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b und der Metallabschnitt 22 sind durch einen Abschnitt in einem Kontaktloch 9c der Gatehauptzwischenverbindung verbunden, und dadurch sind sie parallel elektrisch miteinander verbunden. Somit sind die erste und die zweite Zwischenverbindung elektrisch parallel verbunden.
Strukturen außer den vorstehend beschriebenen sind im wesentlichen gleich wie bei dem ersten bis fünfzehnten Vergleichsbeispiel, die bereits beschrieben wurden. Daher tragen die gleichen oder entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die 68 und 69 zeigen ausschnittartige Querschnitte, die schematisch Strukturen nahe den Gatehauptzwischenverbindungen der Halbleitervorrichtungen bei der ersten und zweiten Abwandlung des sechzehnten Vergleichsbeispieles zeigen.
Unter Bezugnahme auf die 68 hat der Graben T3 bei der ersten Abwandlung die Innenfläche, die durch den Isolierfilm 14 abgedeckt ist, und der nur mit dem Metallabschnitt 22 gefüllt ist.
Unter Bezugnahme auf die 69 ist die polykristalline Siliziumlage 12 beseitigt, und die Hauptzwischenverbindungsmetallage 10b und der Metallabschnitt 22 sind durch einen Abschnitt in dem Kontaktloch 9c bei der zweiten Abwandlung verbunden.
Da bei diesem Vergleichsbeispiel die Gatehauptzwischenverbindung einen Abschnitt aufweist, der den Graben T3 füllt, kann der Störwiderstand klein sein, wenn dies mit einer ebenen Zwischenverbindung verglichen wird, die in der Breitenrichtung der Gatehauptzwischenverbindung 5 eine konstante Größe hat (d. h. eine seitliche Größe in der Figur). Dies reduziert eine Differenz der Übertragungsverzögerung, die zwischen den Potenzialsignalen auftreten kann, die zu den jeweiligen Gateelektroden 13 übertragen werden, und zwar aufgrund der Zwischenverbindungen zwischen dem Gateanschluss und den jeweiligen Gateelektroden 13. Daher ist es möglich, den IGBT-Chip zu erreichen, der eine örtliche Stromkonzentration an dem Ein-Bereich bei dem IGBT-Element EL reduziert und beständig gegenüber Schwingungen ist.
Jedes Ausführungsbeispiel wurde im Zusammenhang mit der Halbleitervorrichtung beschrieben, die ein IGBT-Element als das Halbleiterelement aufweist. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und sie kann auf Halbleitervorrichtungen angewendet werden, die ein Halbleiterelement wie zum Beispiel ein Leistungs-MOSFET-Element aufweisen. Des weiteren kann das Halbleiterelement eine Sourceelektrode anstelle der Emitterelektrode haben.
Außerdem kann die Metallage 10 durch eine Halbleiterlage ersetzt werden, die einen Widerstand aufweist, der ausreichend kleiner ist als der Innengatewiderstand.
Eine Halbleitervorrichtung hat ein Halbleitersubstrat (101), einen Isolierfilm (14b), ein Halbleiterelement (EL) und ein Widerstandselement (4t). Das Halbleitersubstrat (101) hat einen ersten Graben (T1). Der Isolierfilm (14b) deckt eine Innenfläche des ersten Grabens (T1) ab. Das Halbleiterelement (EL) hat eine Elektrode (13). Das Widerstandselement (4t) ist mit der Elektrode (13) elektrisch verbunden, um einen Widerstand für einen Strom zu bilden, der durch die Elektrode (13) hindurch strömt, und es ist in dem ersten Graben (T1) mit dem dazwischen liegenden Isolierfilm (14b) angeordnet. Dadurch kann die Halbleitervorrichtung ein Widerstandselement aufweisen, das eine kleine Anschlussfläche hat und einen großen Strom mit guter Zuverlässigkeit durchlassen kann.

Claims

Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat (101), das einen ersten Graben (T1) hat; einem Isolierfilm (14b), der eine Innenfläche des ersten Grabens (T1) abdeckt; einem Halbleiterelement (EL), das eine Elektrode hat; und einem Widerstandselement (4t), das mit der Elektrode elektrisch verbunden ist, um einen Widerstand für einen durch die Elektrode hindurch strömenden Strom zu bilden, und das in dem ersten Graben (T1) mit dem dazwischen liegenden Isolierfilm (14b) angeordnet ist, einem Zwischenlagenisolierfilm (11), der ein Kontaktloch (9a, 9b) an einer Öffnungsseite des ersten Grabens (T1) des Widerstandselements (4t) hat, wobei das Widerstandselement (4t) an einer Position gegenüber dem Kontaktloch (9a, 9b) mit einem Abschnitt versehen ist, der eine Breite aufweist, die größer ist als eine minimale Breite eines Abschnittes gegenüber dem Zwischenlagenisolierfilm (11) des Widerstandselements (4t).
Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abschnitt mit der großen Breite einen Abschnitt mit einem Widerstand beinhaltet, der kleiner ist als bei dem Abschnitt mit der minimalen Breite des Widerstandselements (4t).