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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement gemäß dem vorliegenden
Anspruch 1.
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Beschreibung zum Stand der
Technik
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10 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Halbleiterelement nach
einem vorbekannten Beispiel, als Hintergrund der vorliegenden Erfindung,
zeigt. Dieses Halbleiterelement 151 ist als vertikaler
N-Kanal-IGBT ausgebildet. Ein Halbleitersubstrat 200, ein
Siliziumsubstrat, beinhaltet ein N-Gebiet 201, ein P-Kollektor-Gebiet 202,
P-Basis-Gebiete 203 und
N-Source-Gebiete 205. Diese Halbleitergebiete 201 bis 203 und 205 sind
durch selektives Implantieren von P- und N-Störstellen in ein Paar von Hauptoberflächen des
durch das N-Substrat gebildeten N-Gebietes 201 ausgebildet.
Innerhalb des N-Substrats sind die Bereiche außer der Halbleitergebiete 201 bis 203 und 205 mit
dem N-Gebiet 201 verbunden.
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Das
P-Kollektor-Gebiet 202 ist in einer unteren Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 200 selektiv und freiliegend ausgebildet.
Die P-Basis-Gebiete 203 sind in einer oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 selektiv
ausgebildet und selektiv freiliegend. Die N-Source-Gebiete 205,
die schmaler als die P-Basis-Gebiete 203 sind, sind selektiv
innerhalb der P-Basis-Gebiete 203 ausgebildet und in der
oberen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 200 selektiv freiliegend.
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Das
Halbleiterelement 151 enthält ferner Gateelektroden 206,
Gate-Isolationsschichten 207, Isolationsschichten 208,
Emitterelektroden 209 und eine Kollektorelektrode 211.
Jede Gateelektrode 206 ist einem Kanalgebiet zugekehrt,
mit einer jeweils dazwischen angeordneten Gate-Isolationsschicht 207. Das
Kanalgebiet ist Teil der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 203,
das zwischen dem N-Gebiet 201 und den N-Source-Gebieten 205 angeordnet ist.
Jede Emitterelektrode 209 ist mit der freiliegenden Oberfläche des
P-Basis-Gebiets 203 und der N-Source-Gebiete 205 in der oberen
Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 200 verbunden. Die Isolationsschichten 208 isolieren
elektrisch die Gateelektroden 206 von den Emitterelektroden 209.
Die Kollektorelektrode 211 ist mit der unteren Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 200 verbunden, wo das P-Kollektor-Gebiet 202 freiliegt.
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Bei
einer Verwendung des Halbleiterelements 151 als IGBT mit
einer, bezogen auf die Emitterelektroden, 209 positiven
Kollektorspannung, die an der Kollektorelektrode 211 angelegt
wird (gewöhnlich
durch eine Last), wird relativ zu den Emitterelektroden 209 eine
Gatespannung an den Gateelektroden 206 angelegt. Wenn eine,
die Schwellspannung überschreitende
positive Gatespannung angelegt wird, wird innerhalb des Kanalgebiets
eine Inversionsschicht gebildet und Elektronen, (als schwarze Punkte
in 10 dargestellt) werden in dem N-Gebiet 201 injiziert
und Löcher
(als weiße
Punkte in der 10 dargestellt) werden dann
von dem P-Kollektor-Gebiet 202 in das N-Gebiet 201 injiziert.
Resultierend findet ein als Leitfähigkeitsmodulierung bekanntes
Phänomen
innerhalb des N-Gebietes 201 statt, was
zur Folge hat, daß die
Kollektorelektrode 211 und die Emitterelektroden 209,
bei einer niedrigen momentanen Durchlassspannung, miteinander leitfähig verbunden
werden. Wenn die Gatespannung unter die Schwellspannung (gewöhnlich Null
oder ein negativer Wert) reduziert wird, verschwindet die in dem
Kanalgebiet gebildete Inversionsschicht, und die Kollektorelektrode 211 und
die Emitterelektrode 209 werden daher voneinander getrennt.
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Wie
zuvor beschrieben ist das als IGBT ausgebildete Halbleiterelement 151 aufgrund
seiner niedrigen momentanen Durchlassspannung und Spannungssteuerbarkeit
sehr vorteilhaft als Schaltelement einsetzbar. Jedoch enthält es, im
Gegensatz zu einem MOSFET, keine Diode. Demgemäß benötigt das Halbleiterelement 151 bei
einer Verwendung in einem Stromrichter, wie z. B. einem Wechselrichter,
eine außerhalb
angeordnete Freilaufdiode. Daraus resultiert das Problem, dass die
Induktivität
der Zusammenschaltung eine Hochgeschwindigkeitsschaltung verhindert
und ebenfalls den Herstellungsprozess aufwendig gestaltet, was dazu
führt,
dass das Endprodukt, wie z. B. der Stromrichter, sehr voluminös ist.
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Um
diese Probleme zu beheben, offenbart die
japanische Patent-Offenlegungsschrift NO.5-1.52574 (1993) sowie
deren Parallelanmeldung
DE
42 35 175 A1 (im Folgenden als erste Druckschrift genannt)
ein Halbleiterelement, bei dem die zu dem IGBT gehörenden Halbleitergebiete
und die zu der Freilaufdiode gehörenden
Halbleitergebiete in verschiedenen Abschnitten innerhalb eines einzigen
Halbleitersubstrats angeordnet sind.
11 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements
152,
und
12 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines
Halbleiterelements
153, die beide in der ersten Druckschrift
offenbart sind.
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Jedes
der Halbleiterelemente 152 und 153 hat einen vertikalen
N-Kanal-IGBT und eine vertikale Diode, die antiparallel miteinander
verbunden sind, wobei eine Mehrzahl der zu dem IGBT und der Diode gehörigen Halbleitergebiete
innerhalb eines einzigen Halbleitersubstrats 200 hergestellt
sind. Das Halbleitersubstrat 200, ein Siliziumsubstrat,
hat ein IGBT-Gebiet 220 und
ein Dioden-Gebiet 221, die selektiv in unterschiedlichen
Gebieten entlang der beiden Hauptoberflächen definiert sind. Ein störungsarmes Gebiet 223 ist
zwischen dem IGBT-Gebiet 220 und dem Dioden-Gebiet 221 angeordnet,
als ein Gebiet zur Unterdrückung
von Störungen
zwischen ihnen.
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Das
Halbleitersubstrat 200 hat in dem IGBT-Gebiet 220,
das Teil des zu dem IGBT gehörenden
N-Gebietes 201 ist, ein P-Kollektor-Gebiet 202, P-Basis-Gebiete 203 und
N-Source-Gebiete 205. Das Halbleitersubstrat 200 hat
ebenso in dem Dioden-Gebiet 221, das Teil des zu der Diode
gehörenden
N-Gebietes 201 ist, ein N+-Gebiet 241,
und ein Anoden-Gebiet 204. Das N-Gebiet 201 arbeitet
als N-Basis-Gebiet in dem IGBT-Gebiet 220 und als ein Kathoden-Gebiet
in dem Dioden-Gebiet 221. Das Halbleiterelement 152 hat
ferner P+-Gebiete 240 und N+-Gebiete 241, die selektiv in dem
IGBT-Gebiet 220 und dem Störabwehrgebiet 223 ausgebildet
sind. Das Halbleiterelement 153 hat P-Gebiete 230,
die selektiv in dem Störabwehrgebiet 223 ausgebildet
sind.
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An
der oberen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 200 ist eine Anodenelektrode 210 mit
der freiliegenden Oberfläche
des Anoden-Gebiets 204 verbunden. Eine Kathodenelektrode 212 ist
mit einem Teilabschnitt der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200,
das zu dem Dioden-Gebiet 221 gehört, verbunden. Die Emitterelektroden 209 und
die Anodenelektrode 210 sind miteinander verbunden, und
die Kollektorelektrode 211 ist mit der Kathodenelektrode 212 integral
miteinander verbunden.
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Wie
zuvor erwähnt,
beinhalten die Halbleiterelemente 152 und 153 beide
einen IGBT und eine Diode, wobei die Diode antiparallel mit dem
IGBT verbunden ist und als eine dem IGBT zugeordnete Freilaufdiode
wirkt. Daher ist es, wenn das Halbleiterelement 152 oder 153 in
einem Stromrichter, wie beispielsweise einem Wechselrichter, integriert
wird, möglich,
bei der Herstellung des Stromrichters den Arbeitsschritt der separaten
Herstellung des IGBT und der Freilaufdiode als separate Halbleiterchips und
eine Verbindung beider durch Leitungen entfallen zu lassen. Dies
gestaltet den Stromrichter ebenfalls kompakter. Darüber hinaus,
da es nicht notwendig ist, den IGBT und die Freilaufdiode mit Leitungen miteinander
zu verbinden, kann das Problem, dass die Schaltungsgeschwindigkeit
durch die Leitungsinduktion reduziert wird, vermieden werden, um
eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu ermöglichen.
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Allerdings
sind die Halbleiterelemente 152 und 153 dahingehend
nachteilig, als sie das Störabwehrgebiet 223 zur
Vermeidung von Störungen
zwischen dem IGBT und der Diode, benötigen. Die Störung zwischen
dem IGBT und der Diode ist das Phänomen, dass ein umgekehrt erzeugter
Verzögerungsstrom
fließt,
der dadurch entsteht, wenn die Diode umgekehrte Rückgewinnungsoperationen
von dem Dioden-Gebiet 221 in das IGBT-Gebiet 220 ausführt und
somit einen leitenden parasitären
Thyrister in dem IGBT bildet. Zur Verhinderung der Störung muss
eine Sicherstellung einer ausreichend großen Länge L des Störabwehrgebietes 223 gewährleistet sein.
Daher benötigen
die Halbleiterelemente 152 und 153 eine größere Fläche für das Halbleitersubstrat 200 oder
eine größere. Chipgröße.
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Die
DE 42 35 175 A1 zeigt
eine gattungsgemäße Halbleitervorrichtung
mit einem IGBT. Auch hier ist eine Diode antiparallel zu einem gerichteten Halbleiterelement
geschaltet, so dass der Hauptstrom darin in umgekehrter Richtung
fließt.
Um einen schnellen Betrieb der Halbleitervorrichtung mit niedriger
Induktanz bereitzustellen, wird unter anderem vorgeschlagen, einen
Nichtwechselwirkungsbereich zwischen IGBT und der Diode vorzusehen.
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Die
WO 95/31006 A1 beinhaltet
einen Chip mit integrierten Schaltungen. Zur Isolierung der Schaltungen
sind Gräben
oder Einkerbungen im Chipsubstrat vorgesehen, die mit elektrisch
isolierendem Material aufgefüllt
sind. Hierdurch sind Transistoren, die einem starken elektrischen
Stromfluss ausgesetzt sind, von denen, die für einen niedrigen Strom vorgesehen
sind, elektrisch abgetrennt.
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In
der
EP 0 292 972 A2 findet
man ein Halbleiterbauelement mit einem vertikalen MOSFET und einer
Schaltkomponente, wie beispielsweise ein CMOS. Beide Elemente sind
auf einem einzigen Halbleiterchip ausgebildet. Der MOSFET, auch
als VDMOS bezeichnet, ist derart ausgebildet, dass er hohe Stromspannungen
aushält,
während
der CMOS als Niedrigstromschaltgerät arbeitet. Ein derartiger Aufbau
ist zur Steuerung von Elektromotoren besonders geeignet. Durch das
Nachdrehen der Elektromotoren, auch dann, wenn bereits keine Spannung mehr
bereitgestellt wird, kommt es zu einer Induktion von Strom, die
wiederum in dem Halbleiterchip einen so genannten Latch-up-Effekt
auslösen
kann. Aufgrund dieses Phänomens
können
der Halbleiterchip oder Teile dessen völlig zerstört werden. Um diesem Phänomen vorzubeugen,
ist in der Druckschrift eine zusätzliche
Kombinationsschicht vorgesehen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik, insbesondere von der
DE 42 35 175 A1 , ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterelement aufzuzeigen,
das eine Verringerung der Chipgröße ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterelement mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein
besonderer Vorteil eines derartigen Halbleiterelements besteht darin,
dass zur Isolierung von Abschnitten der Hauptoberflächen des
Halbleiterelements isolierende Teilungsgebiete vorgesehen sind, die
sich gegeneinander von den beiden sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen des
Halbleiterelements in vertikaler Richtung erstrecken.
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Es
ergeben sich folgende weitere Vorteile:
Erstens reduziert das
elektrisch isolierende Teilungselement effektiv die Störung zwischen
dem IGBT und der Diode, und die Länge des unwirksamen Gebiets zwischen
diesen beiden kann schmaler ausgebildet werden, um die Größe des Elements
zu reduzieren.
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Zweitens
kann das Teilungselement mittels eines einfachen Vorganges des Eingrabens
eines Isolators in den in dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Graben
hergestellt werden. Ferner kann das Teilungselement mit einer geringeren
Breite ausgebildet werden, und die Größenreduktion der Einrichtung kann
effizienter erreicht werden.
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Drittens öffnet sich
der Graben in der Hauptoberfläche
gegenüber
der freiliegenden Oberfläche
des Kollektor-Gebietes, so daß der
Graben während
des Herstellungsprozesses beim Ausbilden der Halbleitergebiete,
wie beispielsweise der IGBT-Source-Gebiete, ausgebildet werden kann.
Dadurch bietet das Element eine hohe Produktivität.
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Viertens
erstreckt sich das Kollektorgebiet von dem IGBT-Gebiet in das Dioden-Gebiet,
durch den Abschnitt in dem der Graben ausgebildet ist. Daher können das
Teilungselement und das Kollektor-Gebiet einen Stromfluss, der von
dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet in das jeweils andere fließt, verhindern.
Dadurch kann die Störung
zwischen dem IGBT und der Diode effizienter unterdrückt werden.
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Fünftens enthält die Einrichtung
ferner einen weiteren Graben, der sich an der anderen Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats öffnet
und dessen Bodenbereich über
das Kollektor-Gebiet herüberragt. Dadurch
begrenzen die in den zwei Gräben
eingegrabenen Isolatoren den Stromfluß von dem IGBT-Gebiet und dem
Dioden-Gebiet in das jeweils andere Gebiet effizienter. Dadurch
kann die Störung zwischen
dem IGBT und der Diode viel effizienter unterdrückt werden.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
deutlicher hervorgehoben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt
einen vertikalen Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß dem Stand
der Technik;
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2 zeigt
eine Darstellung zur Erläuterung der
Wirkungsweise eines Halbleiterelements zum Vergleich mit dem in 1 gezeigten
Element;
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3 und 4 sind
vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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5 ist
ein vertikaler Querschnitt, der eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Halbleiterelements
zeigt;
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6 bis 9 sind
vertikale Querschnitte, die jeweils Abwandlungen von Halbleiterelementen zeigen;
und
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10 bis 12 sind
vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß weiteren Beispielen
aus dem Stand der Technik zeigen.
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1 ist
ein vertikaler Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß dem Stand
der Technik. Dieses Halbleiterelement 101 enthält einen
vertikalen N-Kanal-IGBT und eine vertikale Diode, die antiparallel
miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl der dem IGBT und
der Diode zugehörenden
Halbleitergebiete 1 bis 5 in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 100 hergestellt
sind. Der Ausdruck „vertikal" bezeichnet ein Halbleiterelement
einer Ausführung,
in der ein Paar Hauptelektroden jeweils auf einer und das andere
auf einer anderen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 angeordnet sind (das Paar Hauptelektroden
sind Emitter- und Kollektorelektroden in dem IGBT und Anoden- und
Kathodenelektroden in der Diode). Der Ausdruck „antiparallel" bezeichnet eine
Parallelverbindung in der ein Durchlassstrom in entgegengesetzte
Richtungen fließt.
Daraus folgt, daß die
antiparallele Verbindung der Diode und des N-Kanal-IGBT's eine Verbindung angibt,
bei der, wie in 1 gezeigt, die Anodenelektrode
der Diode mit dem Emitter des IGBT und die Kathodenelektrode mit
der Kollektorelektrode verbunden ist.
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Das
Halbleitersubstrat 100, beispielsweise Siliziumsubstrat,
besitzt ein Paar Hauptoberflächen, wo
ein IGBT-Gebiet 20 und ein Dioden-Gebiet 21 selektiv
in unterschiedlichen Gebieten entlang der beiden Hauptoberflächen definiert
sind. In dieser Beschreibung werden zur Vereinfachung der Erläuterung
die in dem oberen Bereich der Zeichnung gezeigte Hauptoberfläche als „eine obere
Hauptoberfläche" und die in dem unteren
Bereich gezeigte als „eine
untere Hauptoberfläche" bezeichnet. Unter
der Mehrzahl von Halbleitergebieten 1 bis 5 beinhaltet das
IGBT-Gebiet 20 des Halbleitersubstrats 100 Bereiche
eines zu dem IGBT gehörenden
N-Gebietes 1, ein P-Kollektor-Gebiet 2, P-Basis-Gebiete 3 und N-Source-Gebiete 5.
Auch unter der Mehrzahl von Halbleitergebieten 1 bis 5 beinhaltet
ein Dioden-Gebiet 21 des Halbleitersubstrats 100 einen
Bereich des N-Gebietes 1, das zu der Diode gehört, und
auch ein Anoden-Gebiet 4. Das N-Gebiet 1 arbeitet
als ein N-Basis-Gebiet in dem IGBT-Gebiet 20 und als ein Kathodengebiet
in dem Dioden-Gebiet 21.
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Das
P-Kollektor-Gebiet 2, die P-Basis-Gebiete 3, das
Anoden-Gebiet 4 und
die N-Source-Gebiete 5 sind selektiv in den beiden Hauptoberflächen des
Halbleitersubstrats 100 durch selektive Einführung von
P- und N-Störstellen
in die beiden Hauptoberflächen
des das N-Gebiet 1 bildenden N-Substrats ausgebildet. In
dem N-Substrat ist der Abschnitt, in dem sich die Halbleitergebiete 2 bis 5 nicht
befinden, mit dem N-Gebiet 1 verbunden.
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Das
P-Kollektor-Gebiet 2 ist selektiv und freiliegend in der
unteren Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 zumindest in dem zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt
ausgebildet. Die P-Basis-Gebiete 3 sind selektiv ausgebildet
und selektiv freiliegend in der oberen Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 100, in dem zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt.
Die schmaler als die P-Basis-Gebiete 3 ausgebildeten N-Source-Gebiete 5 sind
selektiv in den P-Basis-Gebieten 3 ausgebildet und
selektiv freiliegend an der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100.
Das Anoden-Gebiet 4 ist selektiv und freiliegend in der
oberen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 in dem zu dem Dioden-Gebiet 21 gehörenden Abschnitt
ausgebildet.
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Das
Halbleiterelement 101 enthält weiterhin Gateelektroden 6,
Gate-Isolationsschichten 7, Isolationsschichten 8,
Emitterelektroden 9, eine Anodenelektrode 10,
eine Kollektorelektrode 11 und eine Kathodenelektrode 12.
Jede Gateelektrode 6 ist dem Kanalgebiet mit der dazwischen
angeordneten Gate-Isolationsschicht 7 zugekehrt; das Kanalgebiet ist
ein Abschnitt der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 3,
das zwischen dem N-Gebiet 1 und den N-Source-Gebieten 5 angeordnet
ist. Jede Emitterelektrode 9 ist mit der freiliegenden
Oberfläche
des P-Basis-Gebiets 3 und den N-Source-Gebieten 5 in
der oberen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 verbunden. Die Isolationsschicht 8 isoliert
elektrisch die Gateelektroden 6 von den Emitterelektroden 9.
Die Kollektorelektrode 11 ist mit der freiliegenden Oberfläche des
P-Kollektor-Gebietes 2 in der unteren Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 100 verbunden. Die Anodenelektrode 10 ist
mit der freiliegenden Oberfläche
des Anoden-Gebiets 4 in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden.
Die Kathodenelektrode 12 ist mit der freiliegenden Oberfläche eines
Abschnitts des N-Gebietes 1,
das zu dem Dioden-Gebiet 21 gehört, in der unteren Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 100 verbunden.
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Die
Emitterelektroden 9 und die Anodenelektrode 10 sind über Leitungen
miteinander verbunden. Die Emitterelektroden 9 und die
Anodenelektrode 10 können
als Teile eines einzigen Verbindungsmusters ausgebildet und integral
verbunden sein. Die Kollektorelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 sind als
Teil einer einzelnen Elektrode ausgebildet, die mit der unteren
Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 verbunden ist, so dass sie
integral miteinander verbunden sind.
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(Teilungselement)
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Das
Halbleiterelement 101 enthält ferner ein elektrisch isolierendes
Teilungselement, das selektiv im Halbleitersubstrat 100 zwischen
dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet
ist, zur Begrenzung eines Stromflusses von dem IGBT-Gebiet 20 und
dem Dioden-Gebiet 21 in das jeweils andere (vorläufig bezeichnet
als Störstrom).
Genauer gesagt, ist in dem Halbleitersubstrat 100 ein Graben 15,
der sich in der oberen Hauptoberfläche öffnet, an der Grenze zwischen
dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21, ausgebildet;
ein als Teilungselement arbeitender Isolator 16 ist in
dem Graben 15 eingegraben. Der Isolator 16 kann
beispielsweise aus Siliziumoxid hergestellt werden.
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2 zeigt
eine Darstellung zur Erläuterung der
Arbeitsweise des Teilungselements, wo ein Schnitt eines gedachten
Halbleiterelements ohne Teilungselement und der zugehörige Schaltplan
zusammen gezeigt sind. Das IGBT-Gebiet 20 enthält einen
entsprechend ausgebildeten PNP-Transistor 31, einen NPN-Transistor 32,
einen MOSFET 33 und einen Widerstand 34. Der PNP-Transistor 31 hat
das P-Kollektor-Gebiet 2, das N-Gebiet 1 und das
P-Basis-Gebiet 3, und der NPN-Transistor 32 hat
das N-Gebiet 1,
das P-Basis-Gebiet 3 und das N-Source-Gebiet 5.
Der MOSFET 33 hat das N-Gebiet 1 und das N-Source-Gebiet 5,
als sein Source/Drain-Gebiet, die freiliegende Oberfläche des
P-Basis-Gebiets 3 als
sein Kanalgebiet und die Gateelektrode als seine Gateelektrode.
Der Widerstand 34 ist die Widerstandskomponente des P-Basis-Gebiets 3.
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Wenn
die Diode einen reversiven Recoverybetrieb ausführt, fließt ein reversiver Recoverystrom Ir
von dem Abschnitt des N-Gebietes 1,
das zu dem Dioden-Gebiet 21 gehört, in den zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt.
Dieser reversive Recoverystrom Ir Wirkt sich als der zuvor genannte
Störstrom
aus. Der reversiver Recoverystrom Ir fließt durch das P-Basis-Gebiet 3 und
in die Emitterelektrode E. Aufgrund dieses Stromes fällt an dem
Widerstand 34 des P-Basis-Gebiets 3 eine Spannung
ab an, und der NPN-Transistor 32 wird leitend. Der in dem
NPN-Transistor 32 fließende Elektronenstrom
Ie wirkt sich für
den PNP-Transistor 31 als Basisstrom aus. Daraus folgt,
dass der PNP-Transistor 31 leitend wird, und der in dem
PNP-Transistor 31 fließende
Löcherstrom
Ih trägt
zum Spannungsabfall an dem Widerstand 34 bei. Auf diese
Weise, obwohl der MOSFET 33 nicht einschaltet, verbleiben
die Kollektorelektrode C und die Emitterelektrode E zueinander leitend.
Daraus folgt, dass der reversive Recoverystrom Ir des in der 2 gezeigten
Elements eine Sperrung („latchup") erzeugen kann,
beispielsweise das Phänomen,
dass der parasitäre
Thyristor in dem IGBT leitend wird. Diese Sperrung kann nicht durch
eine an der Gateelektrode G angelegte Spannung gesteuert werden.
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Im
Gegensatz dazu begrenzt der als Teilungselement wirkende Isolator 16 des
Halbleiterelements 101 den reversiven Recoverystrom Ir,
der als Störstrom
von dem Dioden-Gebiet 21 in das IGBT-Gebiet 20 fließt. Dies
unterdrückt
auftretende Sperreigenschaften. Der Graben 15 ist tiefer
als das Anoden-Gebiet 4 ausgebildet,
so dass der Isolator 16 effektiv als Teilungselement wirken
kann. Des weiteren wird zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise
des Teilungselements der Graben 15 direkt oberhalb des
P-Kollektor-Gebietes 2 angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt
sich das Kollektor-Gebiet 2 von dem IGBT-Gebiet 20 bis
in das Dioden-Gebiet 21 durch den direkt unter dem Graben 15 befindlichen Abschnitt.
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(Vorteile der Einrichtung)
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Das
wie oben beschrieben hergestellte Halbleiterelement 101 bietet
folgende Vorteile. Erstens wirkt sich, da das Halbleiterelement 101 einen
IGBT und eine Diode hat und die Diode antiparallel mit dem IGBT
verbunden ist, die Diode als eine dem IGBT zugeordnete Freilaufdiode
aus. Daraus folgt, dass bei Verwendung des Halbleiterelements 101 in
einem Stromrichter, z. B. als Wechselrichter, während der Herstellung des Stromrichters
der Prozess einer separaten Herstellung des IGBT und der Freilaufdiode als
einzelne Halbleiterchips und eine Verbindung dieser durch Leitungen
vermieden werden kann. Dadurch kann der Stromrichter auch sehr kompakt
hergestellt werden. Des weiteren kann, da es nicht notwendig ist,
den IGBT und die Freilaufdiode durch Leitungen zu verbinden, das
Problem der verringerten Schaltgeschwindigkeit, die von der Leitungsinduktion herrührt, vermieden
werden, um somit eine Hochgeschwindigkeitschaltung zu realisieren.
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Darüber hinaus
kann, da die Halbleitereinrichtung 101 das elektrische
Teilungselement enthält, die
Störung
zwischen dem IGBT und der Diode wirkungsvoll reduziert werden, und
außerdem
kann die Breite des wirkungslosen Gebiets zwischen ihnen (die Breite
L in den zum Stand der Technik gehörenden Elementen 152 und 153)
geringer sein, woraus eine Größenreduktion
des Elements resultiert. Daraus folgt, dass der Stromrichter noch kleiner
wird. Zusätzlich
kann in dem Halbleiterelement 101 das Teilungselement durch
einen simplen Prozess des Eingrabens des Isolators 16 in
den in dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildeten Graben 15 ausgebildet
werden. Darüber
hinaus kann das Teilungselement zur wirkungsvolleren Erreichung
der Größenreduktion
in einer geringeren Breite ausgebildet werden.
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Darüber hinaus
ist der Graben 15 derart ausgebildet, dass er sich in der
oberen Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 100 öffnet, wo die N-Source-Gebiete 5 und
dergleichen ausgebildet sind, z. B. in der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 100, die während des Herstellungsprozesses
des Halbleiters hergestellt wird, so dass der Graben 15 einfach
während
des Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet werden kann. Dadurch
kann das Teilungselement ohne Verringerung der Produktivität ausgebildet
werden. Da sich ferner das P-Kollektor-Gebiet 2 von
dem IGBT-Gebiet 20 in das Dioden-Gebiet 21 durch
den Abschnitt, in dem der Graben 15 ausgebildet ist, erstreckt,
können
der als Teilungseinrichtung ausgebildete Isolator 16 und
das P-Kollektor-Gebiet 2 den Störstrom effektiv unterdrücken. Dadurch
können zwischen
dem IGBT und der Diode auftretende Störungen effektiver unterdrückt werden.
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Weitere Ausführung
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Diese
Ausführung
nach 3 zeigt Halbleiterelemente, die derart ausgebildet
sind, dass sie den Effekt der Unterdrückung der Störung zwischen
dem IGBT und der Diode weiter verstärken.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 102,
bei dem der untere Bereich des Grabens 15 in das P-Kollektor-Gebiet 2 reicht. Dadurch
wird der zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem
Dioden-Gebiet 21 fließende
Störstrom
noch effektiver unterdrückt.
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4 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 103,
bei dem die Öffnungsweite
des Grabens 15 größer ist
als die bei dem Halbleiterelement 102. Des weiteren ist
ein Isolator 40 als Isolationsschicht eingegraben, um die
Innenwand des Grabens 15 zu bedecken und an dem Isolator 40 ist
Polysilizium 41 eingegraben. In dieser Beschreibung beinhaltet
ein in dem Graben 15 „eingegrabener" Isolator auch den
Isolator 40, der als Film die Innenwand des Grabens 15 bedeckt.
Das Ausbilden einer größeren Öffnung erleichtert
den Herstellungsprozess, wenn der Graben 15 tiefer ist. Daraus
folgt, dass das Halbleiterelement 103 gegenüber dem
Halbleiterelement 102 dahingehend vorteilhaft ist, als
dessen Herstellung einfacher ist. Der Aufbau, bei dem der Isolator 40 als
Isolationsschicht und das Polysilizium 41 eingegraben sind
(wie in dem Halbleiterelement 103 gezeigt) kann auch dann
verwendet werden, wenn der Graben 15 nicht so tief ausgebildet
ist, wie in dem Halbleiterelement 102 zu sehen – beispielsweise
wenn der Graben so ausgebildet ist wie in dem Halbleiterelement 101.
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5 zeigt
eine vertikale Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements 104,
das einen anderen Graben 50 besitzt; dieser Graben 50 ist
in dem Halbleitersubstrat 100 an der Grenze zwischen dem
IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet
und öffnet
sich in der unteren Oberfläche
des Halbleitersubstrats 100. Der Graben 50 hat
auch einen darin eingegrabenen Isolator 51 und wirkt als
Teilungselement. Der Isolator 51 kann beispielsweise aus
dem gleichen Material wie der Isolator 16 hergestellt sein.
Der Graben 50 ist gegenüberliegend
vom Graben 15 ausgebildet, wobei der Boden des Grabens 50 (das
in der 5 gezeigte obere Ende) über das P-Kollektor-Gebiet 2 herüberragt.
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Die
in den zwei Gräben 15 und 50 des
Halbleiterelements 104 eingegrabenen Isolatoren 16 und 51 unterdrücken wirkungsvoller den
zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 fließenden Störstrom.
Daraus folgt, dass die zwischen dem IGBT und der Diode auftretende
Störung
noch wirkungsvoller unterdrückt
werden kann. Der Graben 50 kann wie der Graben 15 aufgebaut
sein und wie bei dem in 4 gezeigten Halbleiterelement 103 eine größere Öffnung besitzen,
und der Isolator 40, als Isolationsschicht und Polysilizium 41,
kann anstelle des Isolators 51 in den Graben 50 eingegraben
werden.
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(Variationen)
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- 1. Während
die oben genannte bevorzugte Ausführungsform beispielsweise Nicht-Durchgreifspannung-IGBT
(„nonpunchthrough
type IGBT") gezeigt
hat, kann der IGBT auch als Durchgreifspannungsausführung („punchtrough
type"), wie bei
dem in der 6 gezeigten Halbleiterelement 105,
ausgebildet sein. Das Halbleiterelement 105 unterscheidet
sich von dem Halbleiterelement 101 darin, dass das N-Gebiet 1 ein
N+-Gebiet 45 mit höherer Störstellenkonzentration
enthält,
das in Kontakt mit dem P-Kollektor-Gebiet 2 ausgebildet ist.
- 2. Während
die oben genannte bevorzugte Ausführungsform Beispiele gezeigt
hat, bei denen das Teilungselement ein in den Graben eingegrabener Isolator
ist, können
als Teilungselement auch andere Strukturen verwendet werden. Die
Beispiele beinhalten das in der 7 gezeigte
Halbleiterelement 106 und das in der 8 gezeigte
Halbleiterelement 107. Die Halbleiterelemente 106 und 107 beinhalten
beide eine vorbekannte dielektrische Isolation, bei der ein Abschnitt
der oberen Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 wie eine Insel von einem Isolator 61 umgeben
ist, dessen Abschnitt 62 entfernt ist. Das Material des
Isolators 61 kann beispielsweise Siliziumoxid sein. In beiden
Halbleiterelementen 106 und 107 wirkt sich der
Isolator 61 als Teilungselement aus.
- 3. Während
die oben genannte bevorzugte Ausführungsform ein flach ausgebildetes
IGBT zeigt, wo die Gateelektrode 6 an der oberen Oberfläche des
Halbleitersubstrats 100 angrenzt, kann der IGBT auch grabenförmig ausgebildet
sein, wie bei dem in der 9 gezeigten Halbleiterelement 108.
In dem Halbleiterelement 108 sind Gräben 70 selektiv in
dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, wo sich jeder Graben 70 selektiv
in der oberen Oberfläche
des Halbleitersubstrats 100 öffnet und sich durch das N-Source-Gebiet 5 und
das P-Basis-Gebiet 3 erstreckt.
Die Gate-Isolationsschicht 7 ist in dem Graben 70 eingegraben,
um die Innenwand des Grabens 70 zu bedecken, und die Gateelektrode 6 ist
auf der Gate-Isolationsschicht 7 eingegraben.
Auch bei diesem Aufbau ist die Gateelektrode 6 dem Kanalgebiet,
mit der dazwischen angeordneten Gate-Isolationsschicht 7,
zugewandt. Das Kanalgebiet ist der Abschnitt der freiliegenden Oberfläche des
P-Basis-Gebiets 3, (in diesem Fall die Oberfläche, die
zu dem Graben 7 freiliegt, die ein Abschnitt der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 100 ist), der zwischen dem N-Source-Gebiet 5 und
dem N-Gebiet 1 angeordnet ist.
- 4. Während
die oben genannte bevorzugte Ausführungsform ein Beispiel gezeigt
hat, bei dem das in 11 oder 12 gezeigte
N+-Gebiet 241 nicht in dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet ist,
kann das N+-Gebiet 241, wie in 11 oder 12 gezeigt,
in dem zu dem Dioden-Gebiet 21 gehörenden Abschnitt der unteren
Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet sein.