DE102011076444A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung umfasst einen Gateanschlussflecken (16), einen Gateverdrahtungsleiter (14), der mit dem Gateanschlussflecken (16) verbunden ist, und eine Gateelektrode (22, 32, 34), die unter dem Gateanschlussflecken (16) und unter dem Gateverdrahtungsleiter (14) ausgebildet ist. Abschnitte der Gateelektrode (22), die näher am Gateanschlussflecken (16) liegen, weisen einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit auf als Abschnitte der Gateelektrode (32, 34), die weiter vom Gateanschlussflecken (16) entfernt liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bei der über einen Gateanschlussflecken eine elektrische Spannung an die Gateelektrode gelegt wird.
  • Die japanische Patentveröffentlichung 2010-123774 offenbart eine Halbleitervorrichtung, bei der eine Spannung über einen Gateanschlussflecken an die Gateelektrode angelegt wird. Bei dieser Halbleitervorrichtung ist der Widerstand zwischen dem Gateanschlussflecken und der Gateelektrode (der Widerstand, der nachstehend als ”Gatewiderstand” bezeichnet werden kann) im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitervorrichtungen verringert. Genauer ausgedrückt ist der Verdrahtungsleiter, welcher den Gateanschlussflecken mit der Gateelektrode verbindet, hauptsächlich aus Al gemacht (welches einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist), um den Gatewiderstand zu verringern. Es ist anzumerken, dass die Schaltgeschwindigkeit einer Halbleitervorrichtung durch Verringern des Gatewiderstands erhöht werden kann.
  • Es wurde jedoch herausgefunden, dass eine Verringerung des Gatewiderstands zur Bildung einer Hartley-Oszillatorschaltung in der Halbleitervorrichtung führen kann, wobei eine solche Schaltung durch die Kapazität des Gate-Kollektors und die Induktanzen der Sammelschiene und Verdrahtungen, etc. gebildet wird. Eine solche Ausbildung einer Hartley-Oszillatorschaltung in einer Halbleitervorrichtung kann eine hochfrequente Oszillation und elektromagnetische Strahlung hervorrufen und dadurch die gewünschte Gatesteuerung verhindern.
  • Es ist anzumerken, dass der Gatewiderstand erhöht werden kann, um eine ”Kurzschlussoszillation” zu verhindern, wobei sich der Ausdruck auf die Oszillation einer Hartley-Oszillatorschaltung bezieht. Jedoch führt eine Zunahme des Gatewiderstands zu einer Abnahme der Schaltgeschwindigkeit der Halbleitervorrichtung.
  • Die Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung anzugeben, welche eine verringerte Kurzschlussoszillation zeigt, jedoch eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Gateanschlussflecken, einen Gateverdrahtungsleiter, der mit dem Gateanschlussflecken verbunden ist, und eine Gateelektrode, welche unter dem Gateanschlussflecken und dem Gateverdrahtungsleiter ausgebildet ist. Abschnitte der Gateelektrode, die näher am Gateanschlussflecken liegen, weisen einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit auf als Abschnitte der Gateelektrode, die weiter vom Gateanschlussflecken entfernt liegen.
  • Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen vollständiger aus der folgenden Beschreibung hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der durchbrochenen Linie II-II von 1;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der durchbrochenen Linie III-III von 1;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 1;
  • 5 ist eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung, welche nur die Gateelektroden und den die Spannungsfestigkeit verbessernden Bereich zeigt;
  • 6 ist eine Draufsicht auf die Gateelektrode dieser Vergleichshalbleitervorrichtung;
  • 7 ist ein Schaltdiagramm einer beispielhaften Hartley-Oszillatorschaltung, welche in der Vergleichshalbleitervorrichtung ausgebildet sein kann;
  • 8 ist ein Diagramm, welches zeigt, ob in der Vergleichshalbleitervorrichtung eine Kurzschlussoszillation als Funktion der Gateverdrahtungslänge auftritt;
  • 9 ist ein Diagramm, welches zeigt, ob eine Kurzschlussoszillation in der Halbleitervorrichtung der Erfindung als Funktion der Gateverdrahtungslänge auftritt; und
  • 10 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie Zunahmen des Widerstands pro Flächeneinheit der gesamten Gateelektrode zur Verhinderung von Kurzschlussoszillation führt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Halbleitervorrichtung 10 ist ein Leistungs-MOSFET und umfasst einen die Spannungsfestigkeit verbessernden Bereich 12. Der die Spannungsfestigkeit verbessernde Bereich 12 ist eine ringförmige Struktur, die ausgebildet ist, um die Spannungsfestigkeit der Halbleitervorrichtung 10 zu verbessern. Ein Gateverdrahtungsleiter 14 ist in dem Bereich ausgebildet, der von dem ringförmigen, die Spannungsfestigkeit verbessernden Bereich 12 begrenzt wird. Der Gateverdrahtungsleiter 14 ist aus Aluminium. Ein Gateanschlussflecken 16 ist in Kontakt mit dem Gateverdrahtungsleiter 14 verbunden. Der Gateanschlussflecken 16 ist aus dem gleichen Material wie der Gateverdrahtungsleiter 14 hergestellt, weist jedoch eine größere Breite auf als der Gateverdrahtungsleiter 14, um einen Verdrahtungsbond aufzunehmen. Emitteranschlussflecken 18 sind ebenfalls in dem Bereich ausgebildet, welcher durch den ringförmigen, die Spannungsfestigkeit verbessernden Bereich 12 begrenzt wird. Darüber hinaus ist eine Isolationsschicht 20 dafür ausgebildet, den Gateverdrahtungsleiter 14, den Gateanschlussflecken 16 und die Emitteranschlussflecken 18 zu isolieren.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der durchbrochenen Linie II-II von 1. In diesem Querschnitt umfasst die Halbleitervorrichtung 10 eine n-Schicht 28. Eine Basisschicht 24 und eine p-Wanne 26 sind in der n-Schicht 28 ausgebildet. Die Isolationsschicht 20 ist auf der Oberseite der n-Schicht 28 ausgebildet und ist in Kontakt mit der Basisschicht 24 und der p-Wanne 26. Die Isolationsschicht 20 bedeckt eine Gateelektrode 22. Die Gateelektrode 22 ist aus mit einem Dotierungsmittel dotiertem Polysilizium hergestellt. Der Gateanschlussflecken 16 ist auf der Gateelektrode 22 ausgebildet. Andererseits ist eine Kollektorelektrode 30 auf einer Bodenseite der n-Schicht 28 ausgebildet.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der durchbrochenen Linie III-III von 1. In diesem Querschnitt ist eine Gateelektrode 32 unter dem Gateverdrahtungsleiter 14 ausgebildet. Die Gateelektrode 32 ist aus mit einem Dotierungsmittel dotiertem Polysilizium hergestellt. Die Gateelektrode 32 weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als die Gateelektrode 22. Deshalb weist die Gateelektrode 32 einen niedrigeren spezifischen Widerstand (und somit einen niedrigeren Widerstand pro Flächeneinheit) als die Gateelektrode 22 auf.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 1. In diesem Querschnitt ist eine Gateelektrode 34 unter dem Gateverdrahtungsleiter 14 ausgebildet. Die Gateelektrode 34 ist aus einem mit einem Dotierungsmittel dotierten Polysilizium hergestellt. Die Gateelektrode 34 weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als die Gateelektrode 32. Deshalb hat die Gateelektrode 34 einen niedrigeren spezifischen Widerstand (und somit einen niedrigeren Widerstand pro Flächeneinheit) als die Gateelektrode 32. Somit weisen die Gateelektroden 22, 32 und 34 einen umso größeren spezifischen Widerstand (und somit einen umso größeren Widerstand pro Flächeneinheit) auf, je näher sie am Gateanschlussflecken 16 liegen. Das heißt, dass Gateelektroden, die sich näher am Gateanschlussflecken 16 befinden, einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen als Gateelektroden, die weiter weg vom Gateanschlussflecken 16 liegen.
  • 5 ist eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung 10, welche nur die Gateelektroden 22, 32 und 34 und den die Spannungsfestigkeit verbessernden Bereich 12 zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, sind die Gateelektroden 22, 32 und 34 in einer Streifenkonfiguration ausgebildet. Die Gateelektrode 22 liegt unmittelbar unter dem Gateanschlussflecken 16. Die Gateelektrode 32 ist nahe an der Gateelektrode 22 angeordnet und die Gateelektrode 34 ist von der Gateelektrode 22 entfernt angeordnet. Somit ist die Gateelektrode 22, welche einen hohen Widerstand pro Flächeneinheit aufweist, unmittelbar unter dem Gateanschlussflecken 16 ausgebildet; die Gateelektrode 32, welche einen niedrigeren Widerstand pro Flächeneinheit aufweist als die Gateelektrode 22, ist nahe an der Gateelektrode 22 ausgebildet; und die Gateelektrode 34, welche einen niedrigeren Widerstand pro Flächeneinheit aufweist als die Gateelektrode 32, ist von der Gateelektrode 22 entfernt ausgebildet.
  • Vor dem Beschreiben des Betriebs der Ausführungsform und um das Verständnis desselben zu verbessern, ist die folgende Beschreibung auf eine herkömmliche Vergleichshalbleitervorrichtung gerichtet. 6 ist eine Draufsicht auf die Gateelektrode 50 dieser Vergleichshalbleitervorrichtung (deren Elektrode der Kombination der Elektroden 22, 32 und 34 der Halbleitervorrichtung 10 der Ausführungsform entspricht). Die Gateelektrode 50 dieser Vergleichshalbleitervorrichtung weist einen einheitlichen spezifischen Widerstand (und somit einen einheitlichen Widerstand pro Flächeneinheit) auf. Mit Ausnahme dieses Merkmals ist die Vergleichshalbleitervorrichtung bezüglich der Konstruktion ähnlich der Halbleitervorrichtung der Ausführungsform.
  • Im Fall der Vergleichshalbleitervorrichtung könnte eine Hartley-Oszillatorschaltung in der Vorrichtung ausgebildet werden und eine Kurzschlussoszillation hervorrufen. 8 ist ein Schaltdiagramm einer beispielhaften Hartley-Oszillatorschaltung, die in der Vergleichshalbleitervorrichtung ausgebildet sein kann. In dieser Figur bezeichnen die Bezugssymbole R (Gate) und L (Gate) den Gatewiderstand bzw. die Induktivität des Gateverdrahtungsleiters. Darüber hinaus bezeichnet das Bezugssymbol C (Zwischenverdrahtung) die Kapazität zwischen der Emitterelektrode und der Gateelektrode. Das Bezugssymbol L (Sammelschiene) bezeichnet die Induktivität der Sammelschiene, welche mit dem Leistungs-MOSFET verbunden ist, und Vcc bezeichnet die Gleichspannung, welche an den Leistungs-MOSFET angelegt wird. Das Bezugssymbol CgC bezeichnet die Kapazität des Gatekollektors, welche als Kapazität der Hartley-Oszillatorschaltung wirkt. Es ist anzumerken, dass es um so wahrscheinlicher ist, dass eine Hartley-Oszillatorschaltung ausgebildet wird und schwingt, je niedriger der Gatewiderstand R (Gate) ist.
  • Im Übrigen nimmt, wenn die Gateelektrode einen einheitlichen Widerstand pro Flächeneinheit aufweist, wie in der Vergleichshalbleitervorrichtung, der Gatewiderstand mit der Gateverdrahtungslänge zu. Das heißt, dass Abschnitte der Vorrichtung, welche näher an dem Gateanschlussflecken liegen (und deshalb eine kürzere Gateverdrahtungslänge aufweisen), einen niedrigeren Gatewiderstand aufweisen als Abschnitte, welche weiter vom Gateanschlussflecken entfernt sind. Dies bedeutet, dass, wenn die Gateelektrode einen einheitlichen Widerstand pro Flächeneinheit aufweist, es wahrscheinlich ist, dass eine Hartley-Oszillatorschaltung in der Nähe des Gateanschlussfleckens ausgebildet wird und eine Kurzschlussoszillation ausführt. 8 ist ein Diagramm, welches zeigt, ob eine Kurzschlussoszillation in der Vergleichshalbleitervorrichtung als Funktion der Gateverdrahtungslänge auftritt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, tritt eine Kurzschlussoszillation auf, wenn die Gateverdrahtungslänge kurz ist (d. h., sie tritt in der Nähe des Gateanschlussfleckens auf).
  • Andererseits verhindern die Konstruktion und Anordnung der Gateelektroden der Halbleitervorrichtung 10 der Ausführungsform die Ausbildung einer Hartley-Oszillatorschaltung. Genauer ausgedrückt weist, da in der Halbleitervorrichtung 10 Gateelektroden, die näher an dem Gateanschlussflecken 16 liegen, eine höheren spezifischen Widerstand aufweisen (und damit einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit) als Gateelektroden, die weiter von dem Gateanschlussflecken 16 entfernt liegen, der Abschnitt der Vorrichtung, der nahe am Gateanschlussflecken 16 liegt, einen hohen Gatewiderstand auf, wodurch verhindert wird, dass in der Nähe des Gateanschlussfleckens 16 eine Hartley-Oszillation auftritt.
  • 9 ist ein Diagramm, welches zeigt, ob eine Kurzschlussoszillation in der Halbleitervorrichtung 10 der Ausführungsform als Funktion der Gateverdrahtungslänge auftritt. Diese Figur zeigt, dass es im Fall der Halbleitervorrichtung 10 möglich ist, das Auftreten einer Kurzschlussoszillation selbst in der Nähe des Gateanschlussfleckens 16 zu verhindern (d. h. selbst wenn die Gateverdrahtungslänge kurz ist). Dies rührt aus der Tatsache, dass Gateelektroden, die näher an dem Gateanschlussflecken 16 liegen, einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen als Gateelektroden, die weiter vom Gateanschlussflecken 16 entfernt liegen (d. h., dass dies aus der Tatsache resultiert, dass der Abschnitt der Vorrichtung, der nahe am Gateanschlussflecken 16 liegt und deshalb eine kurze Gateverdrahtungslänge aufweist, einen vergrößerten Gateelektrodenwiderstand aufweist). 9 zeigt diesen Effekt. In 9 zeigt die dicke durchbrochene Kurve den Fall, dass alle Gateelektroden den gleichen einheitlichen Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen, und die durchgezogene Linie zeigt den Fall, dass Gateelektroden, die näher am Gateanschlussflecken 16 liegen, einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen als Gateelektroden, die weiter entfernt vom Gateanschlussflecken 16 liegen.
  • Es ist anzumerken, dass der Widerstand pro Flächeneinheit der gesamten Gateelektrode der Vergleichshalbleitervorrichtung vergrößert werden kann, um eine Kurzschlussoszillation zu verhindern. 10 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie Zunahmen des Widerstands pro Flächeneinheit der gesamten Gateelektrode zu einer Verhinderung von Kurzschlussoszillation führt. In 10 zeigt die dicke durchbrochene Kurve den Fall, dass die Gateelektrode einen ersten Widerstand pro Flächeneinheit aufweist, und die durchgezogene Kurve zeigt den Fall, dass die Gateelektrode einen zweiten Widerstand pro Flächeneinheit aufweist, der höher ist als der erste Widerstand pro Flächeneinheit. Wie dies gezeigt ist, kann eine Kurzschlussoszillation verhindert werden, indem der Widerstand pro Flächeneinheit der gesamten Gateelektrode erhöht wird und dadurch der Gatewiderstand erhöht wird. Dies führt jedoch zu einer Abnahme der Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung.
  • Andererseits gewährleisten die Konstruktion und Anordnung der Gateelektroden der Halbleitervorrichtung 10 der Ausführungsform, dass die Vorrichtung eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und verringerte Kurzschlussoszillation zeigt. Genauer ausgedrückt, weisen in der Halbleitervorrichtung 10 Gateelektroden, welche näher am Gateanschlussflecken 16 liegen, einen höheren spezifischen Widerstand (und somit einen höheren Widerstand pro Flächeneinheit) auf als Gateelektroden, die weiter vom Gateanschlussflecken 16 entfernt liegen. Das heißt, dass der Abschnitt der Vorrichtung, welcher vom Gateanschlussflecken 16 entfernt liegt, einen niedrigen Gatewiderstand im Vergleich zu dem Fall aufweist, dass alle Gateelektroden einen vergrößerten Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen. Als Ergebnis davon weist die Halbleitervorrichtung 10 eine hohe Schaltgeschwindigkeit auf und zeigt verringerte Kurzschlussoszillation.
  • Verschiedene Änderungen können an der Erfindung vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Dotierung der Gateelektroden 22, 32 und 34 mit einem Dotierungsmittel durch Ionenimplantation verwirklicht werden. Die Gateelektroden können aus Metall statt aus Polysilizium hergestellt sein. Darüber hinaus kann die Erfindung bei IGBTs statt bei Leistungs-MOSFETs eingesetzt werden.
  • In der Ausführungsform sind die Gateelektroden so ausgeführt, dass sie verschiedene Widerstände pro Flächeneinheit aufweisen, indem die Mengen an Dotierungsmittel eingestellt werden, mit denen die Gateelektroden dotiert werden. Jedoch ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Verfahren beschränkt. Beispielsweise können, damit die Gateelektroden unterschiedliche Widerstände pro Flächeneinheit aufweisen, diese so ausgebildet werden, dass Gateelektroden, die näher am Gateanschlussflecken liegen, dünner sind als jene, die weiter vom Gateanschlussflecken entfernt liegen.
  • Obwohl in der Ausführungsform die Halbleitervorrichtung 10 drei Arten von Gateelektroden aufweist (namentlich die Gateelektroden 22, 32 und 34), ist anzumerken, dass die Vorrichtung zwei Arten von Gateelektroden oder vier oder mehr Arten von Gateelektroden aufweisen kann, und zwar mit dem gleichen Effekt.
  • Somit ermöglicht die Erfindung die Herstellung von Halbleitervorrichtungen, welche verringerte Kurzschlussoszillation zeigen, jedoch eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2010-123774 [0002]

Claims (3)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: einen Gateanschlussflecken (16); einen Gateverdrahtungsleiter (14), der mit dem Gateanschlussflecken (16) verbunden ist; und eine Gateelektrode (22, 32, 34), welche unter dem Gateanschlussflecken (16) und dem Gateverdrahtungsleiter (14) ausgebildet ist; wobei Abschnitte der Gateelektrode (22), die näher an dem Gateanschlussflecken (16) liegen, einen größeren Widerstand pro Flächeneinheit aufweisen als Abschnitte der Gateelektrode (32, 34), die weiter von dem Gateanschlussflecken (16) entfernt sind.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (22, 32, 34) ein durch ein Dotierungsmittel dotiertes Polysilizium ist; und Abschnitte der Gateelektrode (22), die näher an dem Gateanschlussflecken (16) liegen, eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweisen als Abschnitte der Gateelektrode (32, 34), die weiter von dem Gateanschlussflecken (16) entfernt liegen.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte der Gateelektrode (22), die näher am Gateanschlussflecken (16) liegen, dünner sind als Abschnitte der Gateelektrode (32, 34), die weiter von dem Gateanschlussflecken (16) entfernt liegen.
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