DE112011100099T5 - Halbleiterbauelement - Google Patents

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Yuichi Harada
Tatsuya Naito
Yoshiaki Toyoda
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

Durch Verbinden einer Schutzdiode (71), wobei p-Anodenschichten (21) und n-Kathodenschichten (22) in einer Polysiliciumschicht abwechselnd ausgebildet sind und p-n-Übergänge (74), die sich in einem rückwärts sperrenden Zustand befinden, wenn eine Vorwärtspolungvorliegt, abwechselnd mit einer Metalldünnschicht (53) kurzgeschlossen werden, mit einem Leistungs-Halbleiterelement (IGBT (72)) ist es möglich, ein Gleichgewicht zwischen einer hohen Durchbruchfähigkeit und einem kleineren Chipbereich zu erzielen, ein Anstieg einer Durchbruchspannung wird selbst dann unterdrückt, wenn eine Klemmspannung wiederholt angelegt wird, und des Weiteren ist es möglich, eine Zerstörung zu verhindern, die durch eine negative Stoßspannung verursacht wird, die in einen Gate-Anschluss (G) eingegeben wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement.
  • Technischer Hintergrund
  • In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl von Halbleiterbauelementen in Kraftfahrzeuge eingebaut. Eine hohe Durchbruchfähigkeit (hohe Stromstoßfähigkeit) in Bezug auf verschiedene Arten einer Stoßspannung, wie etwa ESD (elektrostatische Entladung) wird von diesen Halbleiterbauelementen gefordert. Deswegen wird eine Stoßschutzdiode (nachstehend als Schutzdiode bezeichnet) geschaltet, um ein Leistungshalbleiterelement, das ein Halbleiterbauelement konfiguriert, vor einer Stoßspannung zu schützen.
  • Wenn eine externe Stoßspannung oder Störspannung, eine Stoßspannung, die durch eine Betätigung des Leistungshalbleiterelements selbst entsteht, oder dergleichen an das Leistungshalbleiterelement angelegt wird, wird eine hohe Durchbruchfähigkeit des Halbleiterbauelements durch Abklemmen der überschüssigen Spannung mit der Schutzdiode realisiert, so dass die überschüssige Spannung nicht an das Leistungshalbleiterelement angelegt wird.
  • 18 ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements mit einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt. Wie in 18 gezeigt, ist in einem bereits bekannten Halbleiterbauelement 800 eine n-Halbleiterschicht (nachstehend als Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht bezeichnet) 2 mit einer höheren Störstellenkonzentration als derjenigen eines p-Halbleitersubstrats 1 auf dem p-Halbleitersubstrat 1 angeordnet. Eine n-Halbleiterschicht (nachstehend als Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht bezeichnet) 3 mit einer niedrigeren Störstellenkonzentration als derjenigen der Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2 ist in der Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2 angeordnet. Eine p-Senkenschicht 34 ist in einer Zone angeordnet (nachstehend als Steuerschaltungszone bezeichnet), in der eine Steuerschaltung 91 in einer Oberflächenschicht der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 ausgebildet ist, und eine p-Senkenschicht 4 ist in einer Zone angeordnet (nachstehend als IGBT-Zone bezeichnet), in der ein IGBT 92 ausgebildet ist.
  • Die Steuerschaltungszone ist in einem mittleren Abschnitt der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 angeordnet. Die mehreren p-Senkenschichten 34 sind voneinander beabstandet angeordnet. Ein MOSFET, eine Diode, ein Widerstand Rg (nicht gezeigt) oder dergleichen, der/die die Steuerschaltung 91 konfiguriert, ist in einer Oberflächenschicht jeder p-Senkenschicht 34 angeordnet. Der MOSFET und die Diode, die in 18 gezeigt sind, sind jeweils in einer unterschiedlichen p-Senkenschicht 34 angeordnet. Insbesondere sind eine n-Sourceschicht 35a und eine n-Drainschicht 35b als MOSFET in der Oberflächenschicht einer p-Senkenschicht 34 vorgesehen, während eine n-Kathodenschicht 35c als Diode in der Oberflächenschicht einer anderen p-Senkenschicht 34 vorgesehen ist.
  • Eine Gate-Elektrode 38 ist quer über einer Gate-Isolierdünnschicht 37 auf der p-Senkenschicht 34 angeordnet, die von der n-Sourceschicht 35a und n-Drainschicht 35b sandwichartig umhüllt ist. Eine Source-Elektrode 54 befindet sich in Kontakt mit der n-Sourceschicht 35a. Eine Drain-Elektrode 55 befindet sich in Kontakt mit der n-Drainschicht 35b. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, ist eine MOSFET-Körperdiode (parasitische Diode), die mit der Source-Elektrode 54 verbunden ist, in der p-Senkenschicht 34 ausgebildet, in der der MOSFET vorgesehen ist. Eine Kathodenelektrode 56 befindet sich in Kontakt mit der n-Kathodenschicht 35c. Eine Anodenelektrode 57 befindet sich in Kontakt mit der p-Senkenschicht 34, in der die n-Kathodenschicht 35c vorgesehen ist.
  • Die IGBT-Zone liegt neben der Steuerschaltungszone (auf der rechten Seite in der Ebene der 18). Eine n-Emitterschicht 5 des IGBT 92, der ein Leistungshalbleiterelement ist, ist in einer Oberflächenschicht der p-Senkenschicht 4 angeordnet. Eine Gate-Elektrode 10 ist über einer Gate-Isolierdünnschicht 7 auf der p-Senkenschicht 4, die von der n-Emitterschicht 5 und Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 sandwichartig umschlossen ist, angeordnet. Eine Emitterelektrode 12 ist in Kontakt mit der n-Emitterschicht 5 und der p-Senkenschicht 4. Auch ist eine Kollektorelektrode 11, die den IGBT 92 konfiguriert, auf der Rückseite des p-Halbleitersubstrats 1 angeordnet, die eine p-Kollektorschicht bildet.
  • Des Weiteren ist eine Zone, in der eine Schutzdiode 81 (nachstehend als Schutzdiodenzone bezeichnet) ausgebildet ist, in der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 in einer Zone vorgesehen, die neben der Steuerschaltungszone liegt. Die Schutzdiodenzone liegt neben der Steuerschaltungszone auf der Seite gegenüber der IGBT-Zone (auf der linken Seite in der Ebene der 18), wodurch sie die Steuerschaltungszone sandwichartig umgibt. In der Schutzdiodenzone ist eine Isolierdünnschicht 60 (LOCOS-Oxiddünnschicht) auf der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 vorgesehen.
  • Die Schutzdiode 81, die aus drei einzelnen unidirektionalen Dioden 81a konfiguriert ist – einer ersten Diode, einer zweiten Diode und einer dritten Diode – die aus einer p-Anodenschicht 21 und einer n-Kathodenschicht 22 hergestellt sind, ist auf der Isolierdünnschicht 60 angeordnet. Beispielsweise ist die erste Diode in der Zone angeordnet, die am weitesten von der Steuerschaltungszone (auf der linken Seite in der Ebene der 18) entfernt ist, während die dritte Diode in der Zone angeordnet ist, die der Steuerschaltungszone am nächsten liegt (auf der rechten Seite in der Ebene der 18).
  • Die Schutzdiode 81 ist aus einer mehrkristallinen Siliciumschicht (Polysiliciumschicht) ausgebildet. Eine Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 81 ist in Kontakt mit der n-Kathodenschicht 22 der ersten Diode. Die Kathodenelektrode 51 ist mit einem Gate-Anschluss G des Halbleiters 800 verbunden. Die Kathodenelektrode 51 ist über die Steuerschaltung 91 mit der Gate-Elektrode 10 des IGBT 92 verbunden. Eine Anodenelektrode 52 ist in Kontakt mit der p-Anodenschicht 21 der dritten Diode. Die Anodenelektrode 52 ist mit der Emitterelektrode 12 des IGBT 92 verbunden.
  • Das heißt, die Schutzdiode 81 ist zwischen dem Gate-Anschluss G und der Emitterelektrode 12 des IGBT 92 verbunden. Dies ist äquivalent dem Einfügen der Schutzdiode 81 zwischen der Gate-Elektrode 10 und Emitterelektrode 12 des IGBT 92. Da die Steuerschaltung 91 auch mit der Schutzdiode 81 verbunden ist, ist die Steuerschaltung 91 ebenfalls gegen Überspannung geschützt.
  • 19 ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte der Schutzdiode der 18 zeigt. Die n-Kathodenschicht 22 der ersten Diode (auf der linken Seite in der Ebene der 19) ist über die Kathodenelektrode 51 und eine Kontaktflächenelektrode mit dem Gate-Anschluss G verbunden. Die p-Anodenschicht 21 der ersten Diode ist mit der n-Kathodenschicht 22 der zweiten Diode verbunden (in der Mitte in der Ebene der 19). Die p-Anodenschicht 21 der zweiten Diode ist mit der n-Kathodenschicht 22 der dritten Diode verbunden (auf der rechten Seite in der Ebene der 19). Die p-Anodenschicht 21 der dritten Diode ist über die Anodenelektrode 52 mit der Emitterelektrode 12 des IGBT 92 verbunden. Die Emitterelektrode 12 ist über die Kontaktflächenelektrode mit einem Emitteranschluss E verbunden.
  • 20 ist eine äquivalente Schaltung, die das Halbleiterbauelement der 18 zeigt. Die drei unidirektionalen Dioden 81a, die die Schutzdiode 81 konfigurieren, sind in Reihe geschaltet. Von den drei unidirektionalen Dioden 81a ist die Kathode einer unidirektionalen Diode 81a der oberen Stufe mit dem Gate-Anschluss G verbunden, der mit der Steuerschaltung 91 verbunden ist, während die Anode einer unidirektionalen Diode 81a der unteren Stufe mit dem Emitter des IGBT 92 verbunden ist. Das heißt, die unidirektionale Diode 81a der oberen Stufe ist die erste Diode der Schutzdiode 81, während die unidirektionale Diode 81a der unteren Stufe die dritte Diode der Schutzdiode 81 ist.
  • Wie in den 18 bis 20 gezeigt, ist im Halbleiterbauelement 800 die aus einer Polysiliciumschicht hergestellte Schutzdiode 81 über der Isolierdünnschicht 60 (LOCOS-Oxiddünnschicht) auf einer Oberfläche des Halbleiters (Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3) ausgebildet, und die n-Kathodenschicht 22 der Schutzdiode 81 ist über die Steuerschaltung 91 mit der Gate-Elektrode 10 des IGBT 92 verbunden. Dann ist die p-Anode 21 der Schutzdiode 81 über die Emitterelektrode 12 des IGBT 92 mit der n-Emitterschicht 5 verbunden. Wenn eine Stoßspannung an den Gate-Anschluss G angelegt wird, bricht die Schutzdiode 81 durch, wobei sie die Stoßspannung abklemmt, und es wird keine hohe Spannung auf die Gate-Elektrode 10 des IGBT 92 ausgeübt. Als Ergebnis hiervon ist der IGBT 92 gegen Überspannung geschützt.
  • Auch im Halbleiterbauelement 800 wird eine Durchbruchspannung, die als Schutzdiode 81 notwendig ist, erhalten, indem die drei unidirektionalen Dioden 81a in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise beträgt zwar eine Gate-Eingangsspannung 5 V zum Zeitpunkt eines Normalbetriebs in einer in einem Fahrzeug untergebrachten Anwendung, aber es kann geschehen, dass eine 12 V-Batteriespannung versehentlich bei der Handhabung an den Gate-Anschluss angelegt wird. Um die Schutzdiode 81 selbst vor dieser Art versehentlicher Eingabe zu schützen, ist eine Durchbruchspannung erforderlich, die gleich oder größer als die Batteriespannung ist. Darüber hinaus ist es zum Schutz des Gates des IGBT 92 notwendig, dass eine an das Gate des IGBT 92 angelegte Spannung gleich oder kleiner als die Gate-Durchbruchspannung ist. Es ist möglich, die Durchbruchspannung der Schutzdiode 81 durch Andern der Anzahl der unidirektionalen Dioden 81a einzustellen. Wenn jedoch die Anzahl der unidirektionalen Dioden 81a zunimmt, wird der Bereich der Zone (Schutzdiodenzone), in der die Schutzdiode 81 ausgebildet ist, größer. Das heißt, der Chipbereich des Halbleiterbauelements 800 wird größer.
  • Daher erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Verkleinerung des Bereichs der Schutzdiode 81. 21 ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte eines anderen Beispiels einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt. 21 zeigt eine Schutzdiode 82, die einen kleineren Bereich im Vergleich zu den 18 und 19 realisiert. Die Schutzdiode 82 ist aus mehrstufigen unidirektionalen Dioden 81a konfiguriert, die aus einer Polysiliciumschicht hergestellt sind, in der mehrere p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 abwechselnd angeordnet sind. Benachbarte unidirektionale Dioden 81a sind angeschlossen. Das heißt, die aus den mehrstufigen unidirektionalen Dioden 81a konfigurierte Schutzdiode 82 ist von einer Konfiguration, bei der die p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 der unidirektionalen Dioden 81a abwechselnd angeordnet sind, benachbarte p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 angeschlossen und mehrere bidirektionale Dioden mit einer Durchbruchspannung in zwei Richtungen in Reihe geschaltet sind.
  • 22 ist ein Verdrahtungsdiagramm, das eine Verbindungsbeziehung zwischen der bereits bekannten Schutzdiode und einer Steuerschaltung zeigt. Die Schutzdiode 82 ist zwischen den Gate-Anschluss G und die Emitterelektrode 12 (Emitteranschluss E) des IGBT 92 eingefügt und es entsteht kein Strom, bis die bidirektionalen Dioden sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärtsrichtung durchbrechen.
  • Als Nächstes folgt eine Beschreibung eines Beispiels, in dem eine Schutzdiode 83 zwischen dem Kollektor und dem Gate des IGBT eingefügt ist, die das Halbleiterbauelement gegen Stoßspannung schützt. 23 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte eines weiteren Beispiels eines Halbleiterbauelements mit einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt. 23 ist ein Erläuterungsdiagramm, das eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements zeigt, in dem die Schutzdiode 83 angebracht ist, die aus bidirektionalen Dioden hergestellt ist. 23(a) ist ein planes Gestaltungsdiagramm des gesamten in 23 gezeigten Halbleiterbauelements. 23(b) ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte des in 23 gezeigten Halbleiterbauelements zeigt. 23(c) ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte der Schutzdiode 83 zeigt. 24 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 23 zeigt. Wie in 23 gezeigt, ist in einem Halbleiterbauelement 900 die Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 83 über eine Anschlagschicht 85 des IGBT 92, das p-Halbleitersubstrat 1, das eine Kollektorschicht bildet, und die Kollektorelektrode 11 mit einem Kollektoranschluss C verbunden. Die Anodenelektrode 52 der Schutzdiode 83 ist mit der Gate-Elektrode 10 des IGBT 92 verbunden. Die Anschlagschicht 85 hat das gleiche Potenzial wie die Kollektorschicht.
  • Wie in 23(b) gezeigt, ist im Halbleiterbauelement 900 beispielsweise eine IGBT-Zone zwischen einer Steuerschaltungszone und einer Schutzdiodenzone vorgesehen. Die Konfigurationen der Steuerschaltung 91 und IGBT 92 sind die gleichen wie in 18.
  • Wenn eine hohe Spannung, wie etwa eine externe Stoßspannung oder eine Abschaltspannung, wenn der IGBT 92 gerade schaltet, auf den Kollektoranschluss C ausgeübt wird, bricht die Schutzdiode 83 vor dem IGBT 92 durch. Wegen des Durchbruchs fließt ein Strom vom Kollektor des IGBT 92 über die Schutzdiode 83 zum Widerstand Rg (siehe 22) in der Steuerschaltung 91 und im Widerstand Rg wird eine Spannung erzeugt. Die Spannung wird an das Gate des IGBT 92 angelegt, das Gate-Potenzial des IGBT 92 nimmt zu, und wenn das Gate-Potenzial auf oder über den Gate-Schwellwert steigt, führt der IGBT 92 eine Einschaltbetätigung aus. Als Ergebnis der Einschaltbetätigung wird keine hohe Spannung eines bestimmten Werts oder höher an den Kollektor des IGBT 92 angelegt.
  • Auch die Schutzdiode 83 ist auf die gleiche Weise wie die in 21 gezeigte Schutzdiode 82 aus bidirektionalen Dioden konfiguriert, die aus einer Polysiliciumschicht, die auf der Isolierdünnschicht 60 ausgebildet ist, hergestellt sind. Da die p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 23 der bidirektionalen Dioden alle eine hohe Störstellenkonzentration haben, sind die bidirektionalen Dioden bidirektionale Zenerdioden. Die Schutzdiode 83 wird beispielsweise durch Dampfphasendiffusion hergestellt.
  • Auch wird zum Beispiel im nachstehenden Patentdokument 1 ein Halbleiterbauelement vorgeschlagen, in dem eine Schutzdiode aus bidirektionalen Zenerdioden hergestellt ist. Im nachstehenden Patentdokument 1 sind die bidirektionalen Zenerdioden aus p-Anodenschichten mit hoher Störstellenkonzentration und n-Kathodenschichten mit einer Störstellenkonzentration, die niedriger als diejenige der p-Anodenschichten ist, konfiguriert.
  • Dokumente des Standes der Technik
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: JP-A-11-251443
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Eine Zusammenfassung der bisher beschriebenen Einzelheiten lautet wie folgt.
    • (1) Um die Durchbruchspannung und hohe Durchbruchfähigkeit der Schutzdioden 81 und 83 aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, den Übergangsbereich der einzelnen unidirektionalen Dioden 81a, die die Schutzdioden 81 und 83 konfigurieren, zu vergrößern und die Anzahl unidirektionaler Dioden 81a zu erhöhen. Jedoch wird der Bereich der Schutzdioden 81 und 83 größer und der Chipbereich wird größer.
    • (2) Wenn die Störstellenkonzentration der p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 und 23 hoch ist, nimmt die Durchbruchspannung der unidirektionalen Dioden 81a ab. Um eine Durchbruchspannung aufrechtzuerhalten, die als die Schutzdioden 81 und 83 notwendig ist, ist es erforderlich, die Anzahl unidirektionaler Dioden 81a zu erhöhen. Wenn jedoch die Anzahl unidirektionaler Dioden 81a erhöht wird, wird der Bereich der Schutzdioden 81 und 83 größer und der Chipbereich wird größer. Weiterhin wird, wenn die p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 und 23 durch Dampfphasendiffusion ausgebildet werden, der Bereich der p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 und 23 größer, der Bereich der Schutzdioden 81 und 83 wird größer und der Chipbereich wird größer.
    • (3) Wenn versucht wird, eine gewünschte Durchbruchspannung der Schutzdioden 81 und 83 durch Senken der Störstellenkonzentration der p-Anodenschichten 21 oder n-Kathodenschichten 22 und 23 der einzelnen unidirektionalen Dioden 81a, wodurch die Durchbruchspannung erhöht wird, und durch Reduzieren der Anzahl unidirektionaler Dioden 81a aufrechtzuerhalten, nimmt die Durchbruchspannung der Schutzdioden 81 und 83 zu, wenn eine Klemmspannung wiederholt angelegt wird, wie in 12 gezeigt, und die Schutzfunktion der Schutzdioden 81 und 83 ist verloren.
    • (4) Wenn die aus bidirektionalen Dioden konfigurierte Schutzdiode 83 übernommen wird, um den Bereich der Schutzdiode zu verkleinern, wird die Körperdiode (parasitische Diode) des die Steuerschaltung 91 konfigurierenden MOSFET in eine Vorwärtsrichtung gepolt, wenn eine negative Stoßspannung an den Gate-Anschluss G angelegt wird, ein großer Strom fließt zum Gate-Anschluss G und der MOSFET wird zerstört. Deswegen ist es, wenn die Kathode der aus bidirektionalen Dioden konfigurierten Schutzdiode 83 an den Gate-Anschluss G angeschlossen wird, nicht möglich, das Halbleiterbauelement gegen negative Stoßspannung zu schützen.
  • Auch gibt es im Patentdokument 1 keine Beschreibung einer Schutzdiode, bei der die bidirektionalen Dioden in unidirektionale Dioden umgewandelt werden, indem p-n-Übergänge abwechselnd mit einer Metalldünnschicht kurzgeschlossen werden. Auch liegt keine Beschreibung einer vierschichtigen Struktur aus einer p-Hochkonzentrationsschicht, einer p-Niederkonzentrationsschicht, einer n-Mittelkonzentrationsschicht und einer n-Hochkonzentrationsschicht vor. Des Weiteren gibt es keine Beschreibung einer Maßnahme zur Verhinderung eines Anstiegs der Schutzdioden-Durchbruchspannung, die durch eine wiederholte Klemmspannung verursacht wird. Von denen mehreren unidirektionalen Dioden, die die Schutzdiode konfigurieren, hat die Niederkonzentrationsschicht eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der anderen unidirektionalen Dioden. Die Mittelkonzentrationsschicht hat eine höhere Störstellenkonzentration als diejenige der Niederkonzentrationsschicht und eine niedrigere als diejenige der Hochkonzentrationsschicht.
  • Zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, bei dem ein Gleichgewicht zwischen hoher Durchbruchfähigkeit und kleinerem Chipbereich erreicht wird. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, bei dem es möglich ist, einen Anstieg der Durchbruchspannung zu unterdrücken, selbst wenn wiederholt eine Klemmspannung angelegt wird. Ebenso ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement vorzusehen, bei dem es möglich ist, die Zerstörung zu verhindern, die durch eine negative Stoßspannungseingabe in den Gate-Anschluss verursacht wird.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Um die zuvor beschriebenen Probleme und dadurch die Aufgaben der Erfindung zu lösen, ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei die Schutzdiode aus mehreren unidirektionalen Dioden konfiguriert ist, wobei mehrere n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten abwechselnd im Kontakt angeordnet sind und p-n-Übergänge, die aus den n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten ausgebildet sind, abwechselnd von einer leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen werden, eine Kathodenelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist und eine Anodenelektrode der Schutzdiode mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode (einer Emitterelektrode im Fall eines IGBT und einer Sourceelektrode im Fall eines n-Kanal-MOSFET) des Halbleiterelements verbunden ist.
  • Ebenso ist zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 dadurch charakterisiert, dass es zumindest Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei die Schutzdiode aus mehreren unidirektionalen Dioden konfiguriert ist, wobei mehrere n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten abwechselnd im Kontakt angeordnet sind und p-n-Übergänge, die aus den n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten ausgebildet sind, abwechselnd von einer leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen werden, eine Kathodenelektrode der Schutzdiode mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode (einer Kollektorelektrode im Fall eines IGBT und einer Drainelektrode im Fall eines n-Kanal-MOSFET) des Halbleiterelements verbunden ist und eine Anodenelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist. Vorliegend sind die abwechselnd kurzgeschlossenen p-n-Übergänge Übergänge, die sich in einem rückwärts sperrenden Zustand befinden, wenn eine Vorwärtspolung vorliegt.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 die Kathodenelektrode oder Anodenelektrode der Schutzdiode mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung verbunden ist.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 die Störstellenkonzentration der n-Typ-Halbleiterschicht niedriger als die Störstellenkonzentration der p-Typ-Halbleiterschicht ist und die Störstellendosis der n-Typ-Halbleiterschicht 1 × 1013 cm–2 oder mehr, 5 × 1014 cm–2 oder weniger beträgt.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 4 der Abstand zwischen dem p-n-Übergang der Schutzdiode und der leitenden Dünnschicht auf der n-Typ-Halbleiterschicht 1,5 μm oder mehr, 4,0 μm oder weniger beträgt.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 die n-Typ-Halbleiterschicht im Kontakt mit der Kathodenelektrode der Schutzdiode aus einer Niederkonzentrationsschicht und einer Hochkonzentrationsschicht ausgebildet ist und, da die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht-n-Typ-Halbleiterschicht 1 × 1013 cm–2 oder mehr, 5 × 1014 cm–2 oder weniger beträgt, die Störstellendosis der Hochkonzentrationsschicht höher als die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht ist.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 6 mehrere von jeder der Kathodenelektrode der Schutzdiode und der n-Typ-Halbleiterschicht im Kontakt mit der Kathodenelektrode ausgebildet ist.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 der Grundriss des p-n-Übergangs, der mit der leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen wird, eine Form ist, bei der die n-Typ-Halbleiterschicht und p-Typ-Halbleiterschicht in einer unregelmäßigen Form zusammenpassen.
  • Auch ist zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Kathodenelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist, eine Anodenelektrode der Schutzdiode mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode aus vier Schichten einer unidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitäts- bzw. Leitfähigkeitstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass eine Sperrschicht durch eine Klemmspannung greift. Vorliegend wird von den mehreren Halbleiterschichten, die die Schutzdiode konfigurieren, eine, deren Störstellenkonzentration niedriger als diejenige der anderen Halbleiterschichten ist, als von niedriger Konzentration angenommen, während diejenigen, deren Störstellenkonzentration höher als diejenige der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht ist, als von einer mittleren Konzentration oder einer hohen Konzentration angenommen werden. Die Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der Hochkonzentrations-Halbleiterschichten (nachstehend gilt das gleiche auch für die anderen Ansprüche).
  • Ebenfalls ist zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Kathodenelektrode der Schutzdiode mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, eine Anodenelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode aus vier Schichten einer unidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp und einer Hoch konzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 9 oder 10 die Kathodenelektrode oder Anodenelektrode der Schutzdiode mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung verbunden ist.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 9 oder 10 die Schutzdiode eine mehrstufige unidirektionale Diode ist, die aus den vier Schichten der unidirektionalen Diode ausgebildet ist, die in Vorwärtsrichtung in Reihe geschaltet sind.
  • Auch ist zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Hauptelektrode der Schutzdiode mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die andere Hauptelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode aus sieben Schichten einer bidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  • Ebenfalls ist zur Lösung der Probleme der zuvor beschriebenen bereits bekannten Technologie ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode einschließt, die über einer Isolierdünnschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Hauptelektrode der Schutzdiode mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die andere Hauptelektrode der Schutzdiode mit einer Gate-Elektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode aus sieben Schichten einer bidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 13 oder 14 die andere Hauptelektrode der Schutzdiode mit der Gate-Elektrode des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung verbunden ist.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 13 oder 14 die Schutzdiode aus einer mehrstufigen bidirektionalen Diode ausgebildet ist, die aus den sieben in Reihe geschalteten Schichten der bidirektionalen Diode ausgebildet ist.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach Anspruch 16 eine Hauptelektrode an einer Stelle entfernt ist, an der die sieben Schichten der bidirektionalen Diode in Reihe geschaltet sind.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 9, 10, 13 oder 14 die Schutzdiode aus einer Polysiliciumschicht oder einer monokristallinen Siliciumschicht ausgebildet ist.
  • Auch ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach irgendeinem der Ansprüche 9, 10, 13 oder 14, wenn die Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp der Schutzdiode aus einer Niederkonzentrations-p-Typ-Halbleiterschicht ausgebildet ist, die Breite der Niederkonzentrations-p-Typ-Halbleiterschicht 2 μm oder weniger beträgt.
  • Ebenfalls ist ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, dass in der Erfindung nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 9, 10, 13 oder 14 das Halbleiterelement ein IGBT (Isoliergate-Bipolartransistor) oder MOSFET (MOS-Ansteuerfeldeffekttransistor) ist, die Leistungs-MOS-Typ-Elemente sind.
  • Gemäß der Erfindung ist es durch Verbinden einer Schutzdiode, wobei p-Anodenschichten und n-Kathodenschichten abwechselnd ausgebildet werden, und p-n-Übergänge, die sich in einem rückwärts sperrenden Zustand befinden, wenn eine Vorwärtspolung vorliegt, die abwechselnd mit einer leitenden Dünnschicht (Metalldünnschicht) kurzgeschlossen werden, mit einem Halbleiterelement möglich, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, das eine hohe Durchbruchfähigkeit in Bezug auf eine Stoßspannung und einen kleinen Chipbereich aufweist. Auch ist es möglich, eine hohe Durchbruchfähigkeit in Bezug auf eine negative Stoßspannungseingabe in den Gate-Anschluss des Halbleiterbauelements aufrechtzuerhalten.
  • Auch ist es, da die Störstellenkonzentration der n-Kathodenschicht niedriger als die Störstellenkonzentration der p-Anodenschicht ist und die Störstellenkonzentration der n-Kathodenschicht eine Dosis von 1,0 × 1013 cm–2 oder mehr, 5,0 × 1014 cm–2 oder weniger ist, möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird.
  • Auch ist es, da die Breite der n-Kathodenschicht 1,5 μm oder beträgt, möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Ebenfalls ist es, da die Breite der n-Kathodenschicht 4,0 μm oder weniger beträgt, möglich, den Betriebswiderstand niedrig zu halten.
  • Auch wird ein ohmscher Kontakt erhalten, wobei die n-Kathodenschicht im Kontakt mit der Kathodenelektrode der Schutzdiode als Hoch konzentrationsschicht ausgebildet ist und die Hochkonzentrationsschicht höher als 1,0 × 1013 cm–2 oder mehr, 5,0 × 1014 cm–2 oder weniger ist, was die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht ist. Auch ist es durch Ausbilden der mehreren Kathodenelektroden und n-Kathodenschichten im Kontakt und Auswählen der Kathodenelektrode aus den mehreren Kathodenelektroden möglich, die Durchbruchspannung der Schutzdiode zu ändern und einzustellen.
  • Durch Anordnen, so dass die Störstellenkonzentration der p-Anodenschicht niedriger als die Störstellenkonzentration der n-Kathodenschicht ist, die Breite der p-Anodenschicht geringer als die Ausdehnungslänge der Sperrschicht ist, wenn die Klemmspannung angelegt wird, und die Sperrschicht in einem Durchgreifzustand ist, ist es ebenfalls möglich, die Schutzdiode auf einer konstanten Spannung zu halten, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird.
  • Durch Konfigurieren der n-Kathodenschicht einer ersten n-Schicht (der Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp), die eine höhere Störstellenkonzentration als diejenige einer p-Anodenschicht (die Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp) hat, und einer zweiten n-Schicht (der Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp), die noch höher als bei der ersten n-Schicht ist, und da die Breite der p-Anodenschicht 2 μm oder weniger beträgt, greift die Sperrschicht durch, wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird, und die Durchbruchspannung der Schutzdiode ist konstant, wenn die Störstellenkonzentration der p-Anodenschicht niedrig ist. Inzwischen steigt, wenn die Störstellenkonzentration der p-Anodenschicht eine hohe Störstellenkonzentration ist, so dass kein Durchgreifen auftritt, die Durchbruchspannung der Schutzdiode keinesfalls an, wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Das heißt, da die Breite der p-Anodenschicht 2 μm oder beträgt, ist es möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode zu unterdrücken, wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Des Weiteren dehnt sich, da die erste n-Schicht vorgesehen wird, die sich in die erste n-Schicht ausbreitende Sperrschicht weiter aus als im Vergleich mit einem Fall, in dem die erste n-Schicht nicht vorgesehen wird, was bedeutet, dass es möglich ist, eine höhere Durchbruchspannung zu erzielen.
  • Vorteil der Erfindung
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wird der Vorteil erhalten, dass es möglich ist, ein Gleichgewicht zwischen hoher Durchbruchfähigkeit und kleinem Chipbereich zu erzielen. Auch wird der Vorteil erhalten, dass es möglich ist, einen Anstieg der Durchbruchspannung zu unterdrücken, selbst wenn eine Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Auch wird der Vorteil erhalten, dass es möglich ist, eine Zerstörung, die von einer negativen Stoßspannungseingabe in den Gate-Anschluss verursacht wird, zu verhindern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements nach Ausführungsform 1 zeigt.
  • 2 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Schutzdiode der 1 zeigt.
  • 3 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 1 zeigt.
  • 4 ist ein Verdrahtungsdiagramm, das eine Verbindungsbeziehung zwischen der Schutzdiode der 1 und einer Steuerschaltung zeigt.
  • 5 ist ein Kennliniendiagramm, das elektrische Kennlinien einer unidirektionalen Diode gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 6 ist ein Kennliniendiagramm, das elektrische Kennlinien der unidirektionalen Diode gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 7 ist ein Kennliniendiagramm, das elektrische Kennlinien der unidirektionalen Diode gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
  • 8 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
  • 9 ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 3 zeigt.
  • 10 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 4 zeigt.
  • 11 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 5 zeigt.
  • 12 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl von Spannungsabklemmungen und Schutzdioden-Durchbruchspannung zeigt.
  • 13 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 6 zeigt.
  • 14 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 13 zeigt.
  • 15 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 13 zeigt.
  • 16 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Schutzdioden-Durchbruchspannung der 13 und der Breite einer Niederkonzentrations-p-Anodenschicht zeigt.
  • 17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Schutzdioden-Durchbruchspannung der 13 und der Anzahl der Spannungsabklemmungen zeigt.
  • 18 ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements mit einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt.
  • 19 ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte der Schutzdiode der 18 zeigt.
  • 20 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 18 zeigt.
  • 21 ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte eines weiteren Beispiels einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt.
  • 22 ist ein Verdrahtungsdiagramm, das eine Verbindungsbeziehung zwischen der bereits bekannten Schutzdiode und einer Steuerschaltung zeigt.
  • 23 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte eines anderen Beispiels eines Halbleiterbauelements mit einer bereits bekannten Schutzdiode zeigt.
  • 24 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 23 zeigt.
  • Art und Weise der Ausführung der Erfindung
  • Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen eines Adsorptionsmechanismus gemäß der Erfindung. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen und in den beigefügten Zeichnungen erhalten identische Konfigurationen die gleichen Bezugsziffern und -zeichen und auf eine redundante Beschreibung derselben wird verzichtet. In der folgenden Beschreibung gibt p an, dass ein Konduktivitätstyp ein p-Typ ist, und n gibt an, dass ein Konduktivitätstyp ein n-Typ ist. Ebenfalls erhalten Zonen, die die gleichen wie in einer bereits bekannten Struktur sind, die gleichen Bezugsziffern und -zeichen.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 1 zeigt. Ebenso ist 2 eine Draufsicht, die Hauptabschnitte einer Schutzdiode der 1 zeigt. 2(a) ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte einer Schutzdiode 71 zeigt. 2(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie A-A' der 2(a). Ebenso ist 3 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das das Halbleiterbauelement der 1 zeigt. Auch ist 4 ein Verdrahtungsdiagramm, das eine Verbindungsbeziehung zwischen der Schutzdiode der 1 und einer Steuerschaltung zeigt. Wie in 1 gezeigt, ist ein Halbleiterbauelement 100 aus einer Zone (IGBT-Zone), in der ein vertikaler oder lateraler IGBT 72 ausgebildet ist, der eine Ausgangsstufe auf einer Oberfläche einer Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 bildet, einer Zone (Steuerschaltungszone), in der eine Steuerschaltung 73 ausgebildet ist, wobei mehrere Vorrichtungen, wie etwa ein lateraler MOSFET, eine Diode und ein Widerstand, die den IGBT 72 ansteuern, ausgebildet und jeweils einer vorgegebenen Drahtverbindung unterworfen sind, und einer Zone (Schutzdiodenzone), in der die Schutzdiode 71 ausgebildet ist, konfiguriert. Die Steuerschaltungszone ist beispielsweise in einem mittleren Abschnitt der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 ausgebildet. Die IGBT-Zone liegt neben der Steuerschaltungszone (auf der rechten Seite in der Ebene der 1). Die Schutzdiodenzone liegt neben der Steuerschaltungszone auf der Seite gegenüber der IGBT-Zone (auf der linken Seite in der Ebene der 1), so dass sie die Steuerschaltungszone sandwichartig umschließt.
  • In dem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement 100 ist die Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 auf einer Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2 angeordnet. Die Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2. Die Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2 ist auf einem p-Halbleitersubstrat 1 angeordnet. Die Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht 2 hat eine höhere Störstellenkonzentration als diejenige des p-Halbleitersubstrats 1. In der Steuerschaltungszone sind mehrere p-Senkenschichten 34 in einer Oberflächenschicht der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 angeordnet. Die mehreren p-Senkenschichten 34 sind angeordnet, wobei sie voneinander getrennt sind. Ein MOSFET, eine Diode, ein Widerstand Rg (nicht gezeigt) oder dergleichen, die die Steuerschaltung 73 konfigurieren, ist in einer Oberflächenschicht jeder p-Senkenschicht 34 angeordnet. Der MOSFET und die Diode, die in 1 gezeigt sind, sind jeweils in einer anderen p-Senkenschicht 34 angeordnet. Insbesondere sind eine n-Sourceschicht 35a und eine n-Drainschicht 35b als MOSFET in der Oberflächenschicht einer p-Senkenschicht 34 vorgesehen, während eine n-Kathodenschicht 35c als Diode in der Oberflächenschicht einer weiteren p-Senkenschicht 34 vorgesehen ist.
  • Eine Gate-Elektrode 38 ist über einer Gate-Isolierdünnschicht 37 auf der p-Senkenschicht 34 angeordnet, die von der n-Sourceschicht 35a und n-Drainschicht 35b sandwichartig umschlossen ist. Eine Sourceelektrode 54 ist in Kontakt mit der n-Sourceschicht 35a. Eine Drainelektrode 55 ist in Kontakt mit der n-Drainschicht 35b. Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist eine MOSFET-Körperdiode (parasitische Diode) ausgebildet und mit der Sourceelektrode 54 in der p-Senkenschicht 34 verbunden, in welcher der MOSFET vorgesehen ist. Eine Kathodenelektrode 56 ist in Kontakt mit der n-Kathodenschicht 35c. Eine Anodenelektrode 57 ist in Kontakt mit der p-Senkenschicht 34, in welcher die n-Kathodenschicht 35c vorgesehen ist.
  • In der IGBT-Zone ist eine p-Senkenschicht 4 in der Oberflächenschicht der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 angeordnet. Eine n-Emitterschicht 5 des IGBT 72, der ein Leistungshalbleiterelement ist, ist in einer Oberflächenschicht der p-Senkenschicht 4 angeordnet. Eine Gate-Elektrode 10 ist über einer Gate-Isolierdünnschicht 7 auf der p-Senkenschicht 4 angeordnet, die von der n-Emitterschicht 5 und Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 sandwichartig umschlossen ist. Eine Emitterelektrode 12 ist in Kontakt mit der n-Emitterschicht 5 und dem oberen Teil der p-Senkenschicht 4. Auch ist eine Kollektorelektrode 11, die den IGBT 72 konfiguriert, auf der Rückseite des p-Halbleitersubstrats 1, die eine p-Kollektorschicht bildet, angeordnet.
  • In der Schutzdiodenzone ist eine Isolierdünnschicht 60 (LOCOS-Oxiddünnschicht) auf der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3 ausgebildet. Die Schutzdiode 71, die aus einer Polysiliciumschicht ausgebildet ist, wobei p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 abwechselnd angeordnet sind, ist auf der Isolierdünnschicht 60 angeordnet. Das heißt, p-n-Übergänge 74 sind aus der p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 der Schutzdiode 71 ausgebildet.
  • Eine Zwischenschicht-Isolierdünnschicht 61 ist auf den p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 der Schutzdiode 71 vorgesehen.
  • Wie in 2 gezeigt, sind ein Kontaktloch 51a, ein Kontaktloch 52a und Kontaktlöcher 53a in der Zwischenschicht-Isolierdünnschicht 61 ausgebildet. Das Kontaktloch 51a legt selektiv die n-Kathodenschicht 22 frei, die am weitesten von der Steuerschaltungszone beabstandet ist. Das Kontaktloch 52a legt selektiv die p-Anodenschicht 21 frei, die der Steuerschaltungszone am nächsten ist. Die Kontaktlöcher 53a legen alternativ die p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22 in der Umgebung des p-n-Übergangs 74 frei.
  • Die p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22, die in den Kontaktlöcher 53a freiliegen, werden von einer Metalldünnschicht (leitende Dünnschicht) 53 kurzgeschlossen. Die im Kontaktloch 51a freigelegte n-Kathodenschicht 22 ist mit einer Kathodenelektrode 51 verbunden. Die im Kontaktloch 52a freigelegte p-Anodenschicht 21 ist mit einer Anodenelektrode 52 verbunden. Durch abwechselndes Kurzschließen der p-n-Übergänge 74, die sich in einem rückwärts sperrenden Zustand befinden, wenn eine Vorwärtspolungvorliegt, mit der Metalldünnschicht 53 wird die Schutzdiode 71 aus reihengeschalteten bidirektionalen Dioden in reihengeschaltete unidirektionale Dioden 71a umgewandelt.
  • Indem auf diese Weise bewirkt wird, dass die aus einer Polysiliciumschicht ausgebildeten mehreren unidirektionalen Dioden 71a in Kontakt kommen, ist der Bereich der Schutzdiode 71 kleiner im Vergleich mit einer bereits bekannten Schutzdiode 81 (siehe 19), bei der einzelne unidirektionale Dioden 81a in Reihe geschaltet sind. Der Grund dafür ist, dass sich, wenn die unidirektionalen Dioden 81a in Reihe geschaltet sind, wie bei der Schutzdiode 81, ein Spalt 81b (siehe 19) zwischen benachbarten unidirektionalen Dioden 81a bildet. Deswegen ist es möglich, den Chipbereich mit der Schutzdiode 71 kleiner als bisher bekannt zu machen.
  • Ebenso ist, wie in 1 gezeigt, ein Gate-Anschluss G des Halbleiterbauelements 100 über die Steuerschaltung 73 mit der Gate-Elektrode 10 des IGBT 72 verbunden. Die Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 71 ist über eine Kontaktflächenelektrode 58 mit dem Gate-Anschluss G des Halbleiterbauelements 100 verbunden. Weiterhin ist die Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 71 über die Steuerschaltung 73 mit der Gate-Elektrode 10 des IGBT 72 verbunden. Die Anodenelektrode 52 der Schutzdiode 71 ist über eine Kontaktflächenelektrode 59 mit der Emitterelektrode 12 des IGBT 72 verbunden.
  • Das heißt, die Schutzdiode 71 wird zwischen den Gate-Anschluss G und die Emitterelektrode 10 des IGBT 72 eingefügt. Deswegen sind die Steuerschaltung 73 und das Gate des IGBT 72 durch die Schutzdiode 71 vor einer Stoßspannung geschützt. Die Schutzdiode 71 ist dergestalt, dass es durch Ändern der Anzahl von Wiederholungen der p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22 möglich ist, eine Änderung und Einstellung der Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 auszuführen.
  • Auch ist es durch Verwendung der Schutzdiode 71 beim Stromstoßschutz des IGBT 72 möglich, ein Halbleiterbauelement 100 vorzusehen, das eine hohe Durchbruchfähigkeit und einen kleineren Chipbereich erzielt. Wenn die Schutzdiode 71 verwendet wird, geschieht es nicht, dass ein übermäßiger Strom durch die Körperdiode (parasitische Diode) fließt, selbst wenn ein negativer Stromstoß auf den Gate-Anschluss G ausgeübt wird. Desweiten ist der MOSFET der Steuerschaltung 73 gegen einen Stromstoß geschützt.
  • In der vorstehenden Beschreibung ist eine Beschreibung eines Falls angegeben, bei dem die Schutzdiode 71 mit dem Gate und Emitter des IGBT 72 verbunden ist, aber die Schutzdiode 71 kann auch mit dem Gate und Kollektor des IGBT 72 verbunden sein. In diesem Fall ist es auch möglich, den IGBT 72 vor einem Stromstoß zu schützen, und es ist möglich, ein Halbleiterbauelement 100 zu erhalten, das eine hohe Durchbruchfähigkeit hat.
  • Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung der Durchbruchspannungsstabilität der Schutzdiode 71 und von Spezifikationen. 5 bis 7 sind Kennliniendiagramme, die elektrische Kennlinien der unidirektionalen Diode gemäß Ausführungsform 1 zeigen.
  • 5 zeigt die Beziehung zwischen der Durchbruchspannungs-Fluktuationsrate und der anfänglichen Durchbruchspannung der unidirektionalen Diode 71a in Bezug auf eine Klemmspannungsanlegung sowie der Störstellendosis der n-Kathodenschicht 22. 6 zeigt die Beziehung zwischen Durchbruchspannung und einem Abstand L (siehe 2) vom p-n-Übergang 74 zum Endabschnitt auf der Seite des p-n-Übergangs 74 der Metalldünnschicht 53 auf der n-Kathodenschicht 22 (nachstehend als Abstand zwischen dem p-n-Übergang 74 und der Metalldünnschicht 53 angenommen). 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Betriebswiderstand der Schutzdiode 71 und dem Abstand L zwischen dem p-n-Übergang 74 und der Metalldünnschicht 53 zeigt. Vorliegend ist die Durchbruchspannung die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode der Schutzdiode 71 und ist eine Durchbruchspannung in Bezug auf einen Lawinendurchbruch oder Durchgriffdurchbruch. Auch liegt die Anzahl der Male, die die Schutzdiode 71 abgeklemmt wird, im Bereich von zehn Mal, was dann der Fall ist, wenn die Durchbruchspannung so gut wie gesättigt ist.
  • Wie in 5 gezeigt, ist die Durchbruchspannung umso höher, je niedriger die Störstellendosis der n-Kathodenschicht 22 ist. Deswegen ist es möglich, eine gewünschte Durchbruchspannung selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn die Anzahl in Reihe geschalteter unidirektionaler Dioden 71a verringert wird, und es ist möglich, den Bereich der Schutzdiode 71 zu verkleinern. Wenn jedoch die Störstellendosis der n-Kathodenschicht 22 abnimmt, steigt die Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 an, wenn die Klemmspannung wiederholt an die Schutzdiode 71 angelegt wird, und die Schutzfunktion ist eingeschränkt. Inzwischen nimmt die Durchbruchspannungs-Fluktuationsrate ab, wenn die Störstellendosis der n-Kathodenschicht 22 erhöht wird, aber die anfängliche Durchbruchspannung fällt. Infolgedessen ist es notwendig, die Zahl der in Reihe geschalteten unidirektionalen Dioden 71a zu erhöhen, um die Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 aufrechtzuerhalten, aber der Bereich der Schutzdiode 71 wird größer, und als Ergebnis davon wird der Chipbereich größer.
  • Wie in 6 gezeigt, fällt die Durchbruchspannung, wenn der Abstand L zwischen dem p-n-Übergang 74 und der Metalldünnschicht 53 1,5 μm oder weniger beträgt. Der Grund dafür ist, dass eine sich vom p-n-Übergang 74 ausbreitende Sperrschicht zur Metalldünnschicht 53 durchgreift. Ebenfalls nimmt der Betriebszustand scharf zu, wie in 7 gezeigt, wenn der Abstand L zwischen dem p-n-Übergang 74 und der Metalldünnschicht 53 mehr als 4,0 μm beträgt.
  • Infolgedessen ist es, wenn die Schutzdiode 71 wie in den folgenden Punkten (1) bis (3) ausgebildet wird, möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 zu unterdrücken.
    • (1) Es ist gut, dass die p-Anodenschicht 21 eine höhere Störstellenkonzentration als diejenige der n-Kathodenschicht 22 hat und die n-Kathodenschicht 22 eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der p-Anodenschicht 21 hat.
    • (2) Es ist gut, dass die Störstellendosis in jeder Zone der p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22 so ist, dass die p-Anodenschicht 21 eine Störstellendosis von 1,0 × 1015/cm2 hat und die n-Kathodenschicht 22 eine Störstellendosis von 1,0 × 1013/cm2 oder mehr, 5,0 × 1014/cm2 oder weniger hat.
    • (3) Es ist gut, dass der Abstand L zwischen dem p-n-Übergang 74 und der Metalldünnschicht 53 1,5 μm oder mehr, 4,0 μm oder weniger beträgt.
  • Auch ist es durch Ausbilden der p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22 unter Verwendung einer Ioneninjektion möglich, den Bereich, der von jeder Schicht eingenommen wird, im Vergleich zu dem Fall zu verringern, wenn jede Schicht unter Anwendung einer bereits bekannten Dampfphasendiffusion ausgebildet wird.
  • Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 1 durch Anschließen der Schutzdiode 71, wobei die aus einer Polysiliciumschicht ausgebildeten p-Anodenschichten 21 und n-Kathodenschichten 22 abwechselnd ausgebildet sind und die p-n-Übergänge 74, die sich in einem rückwärts sperrenden Zustand befinden, wenn eine Vorwärtspolung vorliegt, abwechselnd mit der Metalldünnschicht 53 kurzgeschlossen werden, an den IGBT 72 (Leistungshalbleiterelement) möglich, ein Halbleiterbauelement 100 bereitzustellen, das eine hohe Durchbruchfähigkeit in Bezug auf eine Stoßspannung und einen kleinen Chipbereich hat. Auch ist es möglich, eine hohe Durchbruchfähigkeit in Bezug auf eine negative Stoßspannungseingabe in den Gate-Anschluss G des Halbleiterbauelements 100 aufrechtzuerhalten.
  • Auch ist es, da die Störstellenkonzentration der n-Kathodenschicht 22 niedriger als die Störstellenkonzentration der p-Anodenschicht 21 ist und die Störstellenkonzentration der n-Kathodenschicht 22 eine Dosis von 1,0 × 1013 cm–2 oder mehr, 5,0 × 1014 cm–2 oder weniger ist, möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird.
  • Ebenfalls ist es, da die Breite der n-Kathodenschicht 22 1,5 μm oder mehr beträgt, möglich, den Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 71 zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Auch ist es, da die Breite der n-Kathodenschicht 22 4,0 μm oder beträgt, möglich, den Betriebswiderstand niedrig zu halten.
  • (Ausführungsform 2)
  • 8 ist ein Erläuterungsdiagram, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements nach Ausführungsform 2 zeigt. 8(a) ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements 200 zeigt. 8(b) ist eine Schnittansicht, die eine Schnittstruktur entlang einer Schnittlinie A-A' der 8(a) zeigt. 8(c) ist eine Schnittansicht, die eine Schnittstruktur entlang einer Schnittlinie B-B' der 8(a) zeigt. Die Schnittstruktur des Halbleiterbauelements 200 ist die gleiche wie diejenige des Halbleiterbauelements 100 der Ausführungsform 1 (siehe 1). 8 zeigt nur eine Konfiguration einer Schutzdiode 75, die das Halbleiterbauelement 200 konfiguriert.
  • Ein Punkt, der sich von der Schutzdiode 71 der Ausführungsform 1 unterscheidet, ist, dass der p-n-Übergang 74 der p-Anodenschicht 21 und der n-Kathodenschicht 22 kammförmig ineinandergreift. Das heißt, die ebene Form des mit der Metalldünnschicht 53 kurzgeschlossenen p-n-Übergangs 74 ist dergestalt, dass die p-Anodenschicht 21 und die n-Kathodenschicht 22 in unregelmäßiger Form zusammenpassen. Deswegen ist es, selbst wenn die Größe des auf der p-Anodenschicht 21 und n-Kathodenschicht 22 ausgebildeten Kontaktlochs 53a reduziert wird, möglich, einen Bereich zu sichern, der für den Kontakt erforderlich ist. Deswegen ist es möglich, den Bereich der Schutzdiode 75 zu verringern. Im Ergebnis ist es möglich, eine hohe Durchbruchfähigkeit und einen kleineren Chipbereich auf dieselbe Weise wie in der Ausführungsform 1 zu erreichen.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 2 möglich, den gleichen Vorteil wie in der Ausführungsform 1 zu erzielen.
  • (Ausführungsform 3)
  • 9 ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 3 zeigt. Punkte, die sich von der Ausführungsform 1 unterscheiden, sind die folgenden Punkte. Ein SOI (Silicium auf Isolator)-Substrat, in dem eine Halbleiterschicht über einer Isolierschicht 16 auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet ist, oder dergleichen wird verwendet. Wenn man diese Halbleiterschicht als Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a nimmt, wird eine isolierende Trennzone 17 gebildet, die die Isolierschicht 16 von der Oberfläche der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a (der Oberfläche des SOI-Substrats) erreicht, wodurch die Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a geteilt wird. Dann ist ein Unterscheidungspunkt, dass eine Schutzdiode 76 in einer der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschichten 3a gebildet wird, die durch die isolierende Trennzone 17 getrennt ist. Das heißt, die dieses Halbleiterbauelement 300 konfigurierende Schutzdiode 76 ist nicht aus einer Polysiliciumschicht, sondern aus einer monokristallinen Siliciumschicht (der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a) gebildet.
  • Auch ist der IGBT 72 ein seitlicher IGBT, der auf der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a ausgebildet ist, wobei eine p-Kollektorschicht 1a in einer Oberflächenschicht der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 3a ausgebildet ist. Auch in diesem Fall ist es möglich, einen kleineren Chipbereich unter Aufrechterhaltung der gleichen Art hoher Durchbruchfähigkeit wie in der Ausführungsform 1 zu erzielen. Der Konduktivitätstyp des Halbleitersubstrats kann entweder der p-Typ oder der n-Typ sein.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 3 möglich, den gleichen Vorteil wie in der Ausführungsform 1 zu erzielen.
  • (Ausführungsform 4)
  • 10 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 4 zeigt. 10(a) ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements 400 zeigt. 10(b) ist eine Schnittansicht, die eine Schnittstruktur entlang einer Schnittlinie A-A' der 10(a) zeigt. Die Schnittstruktur des Halbleiterbauelements 400 ist die gleiche wie diejenige des Halbleiterbauelements 100 der Ausführungsform 1 (siehe 1). 10 zeigt nur eine Konfiguration einer Schutzdiode 77, die das Halbleiterbauelement 400 konfiguriert.
  • Ein Punkt, der sich von der Schutzdiode 71 der Ausführungsform 1 unterscheidet, ist, dass eine Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht in Kontakt mit der Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 77, die mit dem Gate-Anschluss G verbunden ist, aus zwei Schichten, der Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht 22 und einer Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 23, ausgebildet ist, wobei die Umgebung eines Orts, der ein Kontaktloch 30 bildet, als die Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 23 genommen wird und andere Orte als dieser als die Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht 22 genommen werden. Die Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht 22 hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 23. Da der Kontaktwiderstand zunehmen kann, wenn die Kathodenelektrode 51 in der Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht 22 ausgebildet wird, ist es bevorzugt, dass der Kontaktabschnitt von hoher Konzentration ist. Auch die Anodenelektrode 52 der mit der Emitterelektrode 12 des IGBT 72 verbundenen Schutzdiode 77 ist über ein Kontaktloch 31 in Kontakt mit der Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 23.
  • Ein Punkt, der sich von der 2 unterscheidet, ist ebenfalls, dass die Kathodenelektrode 51 breiter als die Anodenelektrode 52 ist. Deswegen ist es möglich, dass der mit der Anodenelektrode 52 verbundene Draht schmaler ist. Da es möglich ist, dass der Schnittbereich des p-n-Übergang 74 größer ist, weil die Kathodenelektrode 51 breiter ist, ist es ebenfalls möglich, eine hohe Durchbruchfähigkeit aufrechtzuerhalten.
  • Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß der Ausführungsform 4 möglich, den gleichen Vorteil wie in der Ausführungsform 1 zu erhalten. Obwohl der Chipbereich des Halbleiterbauelements 400 etwas größer als derjenige des Halbleiterbauelements 100 ist (siehe 1), ist es auch möglich, eine höhere Durchbruchfähigkeit und einen kleineren Chipbereich im Vergleich mit einem bereits bekannten Halbleiterbauelement 800, das in 18 gezeigt ist, zu erhalten. Auch wird ein ohmscher Kontakt erhalten, indem die n-Kathodenschicht 23 in Kontakt mit der Kathodenelektrode 51 der Schutzdiode 77 als Hochkonzentrationsschicht ausgebildet wird und die Hochkonzentrationsschicht höher als 1,0 × 1013 cm–2 oder mehr, 5,0 × 1014 cm–2 oder weniger ist, was die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht (n-Kathodenschicht 22) ist.
  • (Ausführungsform 5)
  • 11 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements nach Ausführungsform 5 zeigt. 11(a) ist eine Draufsicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements 500 zeigt. 11(b) ist eine Schnittansicht, die eine Schnittstruktur entlang einer Schnittlinie A-A' der 11(a) zeigt. Die Schnittstruktur des Halbleiterbauelements 500 ist die gleiche wie diejenige des Halbleiterbauelements 100 der Ausführungsform 1 (siehe 1). 11 zeigt nur eine Konfiguration einer Schutzdiode 78, die das Halbleiterbauelement 500 konfiguriert.
  • Ein Punkt, der sich von der Schutzdiode 71 der Ausführungsform 1 unterscheidet, ist, dass unabhängige mehrere Kathodenelektroden 51 ausgebildet werden. In diesem Fall ist es durch Auswählen der Kathodenelektrode 51 der mit dem Kollektor des IGBT 72 zu verbindenden Schutzdiode 78 aus den mehreren Kathodenelektroden 51 möglich, eine Einstellung der Durchbruchspannung der Schutzdiode 78 auszuführen.
  • Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 5 möglich, den gleichen Vorteil wie in der Ausführungsform 1 zu erhalten. Obwohl der Chipbereich des Halbleiterbauelements 500 etwas größer als derjenige des Halbleiterbauelements 100 ist, ist es ebenfalls möglich, eine höhere Durchbruchfähigkeit und einen kleineren Chipbereich im Vergleich zu dem bereits bekannten Halbleiterbauelement 800, das in 18 gezeigt ist, zu erreichen.
  • In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 5 ist beschrieben worden, dass es durch Steuern der Störstellenkonzentration der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht (n-Kathodenschicht) 22 auf einen vorgegebenen Wert möglich ist, einen Anstieg der Schutzdioden-Durchbruchspannung zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung mehrere Male angelegt wird.
  • Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels, in dem es durch Anordnen, so dass die Länge der Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht 22 eine solche Länge ist, dass die Sperrschicht unfehlbar durch die Klemmspannung, greift, möglich ist, den Anstieg der Schutzdioden-Durchbruchspannung zu unterdrücken, selbst wenn die Klemmspannung wiederholt angelegt wird. Vorliegend erfolgt eine Beschreibung eines Falls als Beispiel, in dem die p-Anodenschicht von niedriger Konzentration und die n-Kathodenschicht von hoher Konzentration ist, wobei die Störstellenkonzentrationen umgekehrt zu denjenigen in der Ausführungsform 1 sind.
  • Zunächst erfolgt eine Beschreibung einer Situation, in der die Schutzdioden-Durchbruchspannung in Ansprechung auf eine Erhöhung der Anzahl von Klemmungen zunimmt. 12 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl von Spannungsabklemmungen und der Schutzdioden-Durchbruchspannung zeigt. Die Störstellenkonzentration einer p-Schicht, die eine Niederkonzentrationsschicht ist, beträgt 1 × 1014 cm–2, die Störstellenkonzentration einer n-Schicht, die eine Hochkonzentrationsschicht ist, beträgt 5 × 1015 cm–2, und die Störstellenkonzentration einer p-Schicht, die eine Hochkonzentrationsschicht ist, beträgt 3 × 1015 cm–2. Wie in 12 gezeigt, steigt die Schutzdioden-Durchbruchspannung an, wenn die Anzahl von Abklemmungen zunimmt, und die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode neigt zur Sättigung, wenn die Anzahl von Abklemmungen zunimmt. Diese Durchbruchspannung, die die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode ist, ist eine Durchbruchspannung, die bei einem Lawinendurchbruch auftritt.
  • (Ausführungsform 6)
  • 13 ist ein Erläuterungsdiagramm, das Hauptabschnitte einer Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 6 zeigt. 13(a) ist eine Schnittansicht, die Hauptabschnitte eines Halbleiterbauelements 600 zeigt. 13(b) ist eine Schnittansicht, die eine Schutzdiode 79 im Detail zeigt. Die das Halbleiterbauelement 600 konfigurierende Schutzdiode 79 ist aus unidirektionalen Einzeldioden konfiguriert. 14 und 15 sind äquivalente Schaltungen, die das Halbleiterbauelement der 13 zeigen. 14 zeigt eine äquivalente Schaltung, wenn die Schutzdiode 79 zwischen Gate und Emitter des IGBT eingefügt ist. 15 zeigt eine äquivalente Schaltung, wenn die Schutzdiode 79 zwischen Gate und Kollektor des IGBT eingefügt ist. Die die Schutzdiode 79 konfigurierenden unidirektionalen Dioden sind eine p-Anodenschicht 41 (eine Niederkonzentrationsschicht), eine n-Kathodenschicht 42 (eine Mittelkonzentrationsschicht) und eine Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 43 und -p-Anodenschicht 40 (Hochkonzentrationsschichten), die jeweils an einem Ende angeordnet sind. Die p-Anodenschicht 41 hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der n-Kathodenschicht 42. Die n-Kathodenschicht 42 hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der n-Kathodenschicht 43 und p-Anodenschicht 40. Die n-Kathodenschicht 43 ist in Kontakt mit der n-Kathodenschicht 42. Die n-Kathodenschicht 42 ist in Kontakt mit der p-Anodenschicht 41. Die p-Anodenschicht 41 ist in Kontakt mit der p-Anodenschicht 40. Die n-Kathodenschicht 43 und p-Anodenschicht 40 sind Kontaktschichten der Kathodenelektrode 51 bzw. Anodenelektrode 52. Nachstehend wird von den mehreren unidirektionalen Dioden, die die Schutzdiode konfigurieren, eine, deren Störstellenkonzentration niedriger als diejenige der anderen unidirektionalen Dioden ist, als von niedriger Konzentration angenommen, während diejenigen, deren Störstellenkonzentration höher als diejenige der Niederkonzentrationsschicht ist, als von mittlerer Konzentration oder hoher Konzentration angenommen werden. Die Mittelkonzentrationsschicht hat eine niedrigere Störstellenkonzentration als diejenige der Hochkonzentrationsschichten.
  • Es erfolgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung der unidirektionalen Dioden, die die Schutzdiode 79 sind. Polysilicium mit einer Dicke von 0,5 μm wird auf der Isolierdünnschicht 60 (LOCOS-Oxiddünnschicht) abgelagert und mittels Fotolithografie und Ätzen zu einer Diodenform verarbeitet. Bor wird in einer niedrigen Konzentration von beispielsweise einer Dosis im Bereich von 6 × 1013 cm–2 oder mehr, 9 × 1013 cm–2 oder weniger über die Gesamtfläche der Polysiliciumschicht ioneninjiziert. Ebenfalls wird Phosphor oder Arsen selektiv bis zu einer Dosis im Bereich von 2 × 1014 cm–2 oder mehr, 9 × 1014 cm–2 oder weniger in die n-Kathodenschicht 42 ioneninjiziert, die von mittlerer Konzentration ist. Bor wird selektiv in einer hohen Konzentration von beispielsweise einer Dosis im Bereich von 3 × 1015 cm–2 in die Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40 ioneninjiziert. Phosphor oder Arsen wird selektiv in einer hohen Konzentration von beispielsweise einer Dosis im Bereich von 5 × 1015 cm–2 in die Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 43 ioneninjiziert. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine Anordnung auf eine solche Weise, dass eine Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41, die sandwichartig von der Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40 und Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 umschlossen ist, 2 μm oder weniger beträgt. Das heißt, die Schutzdiode 79 ist aus vier Schichten einer unidirektionalen Diode konfiguriert, wobei jene eine n+-Schicht (die Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 43), an n-Schicht (die Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42), a p–-Schicht (die Niederkonzentrations-Anodenschicht 41) und eine p+-Schicht (die Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40) sind. Die n+-Schicht und p+-Schicht, die in den Endabschnitten der Schutzdiode 79 vorgesehen sind, sind von einer hohen Konzentration, um einen ohmschen Kontakt mit einem Metalldraht zu erhalten.
  • Ein p-n-Übergang 48 der Schutzdiode 79 wird aus der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 und Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 gebildet. Wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 bis zu dem Ausmaß groß ist, dass es keinen Durchgriff gibt, erstreckt sich eine Sperrschicht, die vom p-n-Übergang 48 verläuft, wenn eine Spannung zwischen der Kathode und Anode angelegt wird, zur Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 und ein elektrisches Feld im p-n-Übergang 48 erreicht ein kritisches elektrisches Feld, was einen Lawinendurchbruch verursacht. Die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 zu diesem Zeitpunkt wird von der Störstellenkonzentration der Niederkonzentrationsschicht und Mittelkonzentrationsschicht bestimmt.
  • Ebenfalls wird, wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 kleiner als die Breite der Ausbreitung der Sperrschicht bis zu dem Ausmaß ist, dass es einen Durchgriff gibt, die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 durch die Spannung bestimmt, bei der die Sperrschicht durchgreift. Das heißt, die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 hängt von der Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41a b.
  • 16 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Schutzdioden-Durchbruchspannung der 13 und der Breite der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht zeigt. Die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 ist die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode (nachstehend gilt das gleiche auch für 17). In diesem Beispiel sind die Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40, Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 und Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 durch eine Ioneninjektion von 3 × 1015 cm–2 Bor bzw. 7 × 1013 cm–2 Bor bzw. 5 × 1014 cm–2 Arsen gebildet. Wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 verringert ist, greift die Sperrschicht zur Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40 durch und die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode fällt als Reaktion auf die Kontraktion der Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 ab. Wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 Oμm beträgt, ist die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode eine Durchbruchspannung, die durch den p-n-Übergang 48 der Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40 und Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 bestimmt wird. Die Breite, bei der die Sperrschicht einen Durchgriff bewirkt, liegt im Bereich von 2 μm, wenn die Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 und Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 durch eine Ioneninjektion einer Dosis auf dem Niveau der 14. bzw. 13. Potenz gebildet werden, wobei ein Durchgriff bei jener Breite oder weniger auftritt. Das heißt, wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 2 μm oder weniger beträgt, wird die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode von der Spannung bestimmt, die einen Durchgriff bewirkt. Deswegen wird durch Arrangieren, dass die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 2 μm oder weniger beträgt, der Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 selbst dann unterdrückt, wenn eine wiederholte Klemmspannung angelegt wird. Ebenso ist es, wenn eine solche Anordnung erfolgt, dass die Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 den gleichen Grad an Störstellenkonzentration wie die Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 hat, möglich, die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 zu erhöhen.
  • 17 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Schutzdioden-Durchbruchspannung der 13 und der Anzahl von Spannungsabklemmungen zeigt. In 17 wird die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 als Parameter genommen. Die Breiten M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 sind die Werte der Breiten X1 und X2, die in 16 gezeigt sind. Obwohl beide Breiten X1 und X2 den gleichen Grad an anfänglicher Durchbruchspannung zeigen, tritt kein Durchgriff bei der Klemmspannung in der unidirektionalen Diode auf, die zu M = X1 gebildet ist. Inzwischen tritt in der unidirektionalen Diode, die zu M = X2 gebildet ist, ein Durchgriff bei der Klemmspannung auf. In der unidirektionalen Diode, bei der kein Durchgriff auftritt (M = X1), steigt die Spannung an, wenn eine wiederholte Klemmspannung angelegt wird, wie bei der bereits bekannten unidirektionalen Diode.
  • Im Gegensatz hierzu wird kein Anstieg der Durchbruchspannung in der unidirektionalen Diode beobachtet, bei der ein Durchgriff auftritt (M = X2). Diese Schutzdiode ist, wie zuvor beschrieben, aus mehreren unidirektionalen Dioden hergestellt, wobei jene die Hochkonzentrations-p-Anodenschicht 40, mit der der Anodenanschluss in Kontakt ist, die Hochkonzentrations-n-Kathodenschicht 43, mit der der Kathodenanschluss in Kontakt ist, und die Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 und Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 sind, die zu einer Niederkonzentration geformt sind, die niedriger als diejenige von einer der Hochkonzentrationsschicht ist, die zwischen den Hochkonzentrationsschichten angeordnet ist (siehe 13). Wenn die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 zu einer solchen Breite (Durchgriffbreite) ausgebildet wird, dass bei der Klemmspannung ein Durchgriff auftritt, unterdrückt die Schutzdiode den Anstieg der Durchbruchspannung, der durch eine Wiederholung des Klemmvorgangs verursacht wird. Ebenfalls ist es möglich, die Durchbruchspannung zwischen der Kathode und Anode durch Ändern der Störstellenkonzentration und Länge der Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 zu ändern.
  • Durch Anordnen, dass die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 der Schutzdiode 79 2 μm oder weniger beträgt, ist die Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 die Spannung (Durchgriffspannung), bei der ein Durchgriff der Sperrschicht bewirkt wird, und es ist möglich einen Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 79, der durch ein wiederholtes Anlegen der Klemmspannung verursacht wird, zu verhindern. Da der Anstieg der Durchbruchspannung der Schutzdiode 79 unterdrückt wird, hat das Halbleiterbauelement 600 eine hohe Durchbruchfähigkeit. Da weiterhin die Klemmspannung durch die Durchgriffspannung bestimmt wird, ist es möglich, dass die Breite M der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 im Vergleich zu dem Fall, wenn die Klemmspannung von einer Lawinen-Durchbruchspannung bestimmt wird, kleiner ist. Als Ergebnis hiervon ist es möglich, eine hohe Durchbruchfähigkeit und einen kleineren Chipbereich zu erzielen.
  • In der Ausführungsform 6 ist ein Beispiel gezeigt, in dem unidirektionale Dioden als Schutzdiode 79 zwischen dem Gate und Emitter des IGBT 72 eingefügt sind, wie in 14, aber die unidirektionalen Dioden können auch zwischen dem Kollektor und dem Gate eingefügt sein, wie in 15.
  • Ebenfalls ist es, obwohl nicht gezeigt, mit der Schutzdiode 79 der Ausführungsform 6 möglich, den gleichen Vorteil selbst dann zu erhalten, wenn die Niederkonzentrations-p-Anodenschicht 41 durch eine Mittelkonzentrations-p-Anodenschicht ersetzt wird, die Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht 42 durch eine Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht ersetzt und so angeordnet wird, dass die Breite der Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht eine solche Breite ist, dass ein Durchgriff auftritt.
  • Auch ist es, obwohl nicht gezeigt, durch solches Anordnen, dass die Schutzdiode eine mehrstufige unidirektionale Diode ist, wobei unidirektionale Dioden in Vorwärtsrichtung reihengeschaltet sind und eine angeschlossene Anodenelektrode und Kathodenelektrode aus einer Metalldünnschicht ausgebildet sind, möglich, die Durchbruchspannung zu erhöhen. In diesem Fall ist die Schutzdiode aus einer n+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht), einer n-Schicht (mittlere Konzentration), einer p–-Schicht (Niederkonzentrationsschicht), einer p+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht), einer n–-Schicht (Hochkonzentrationsschicht), einer n-Schicht (mittlere Konzentration), einer p–-Schicht (Niederkonzentrationsschicht) und einer p+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht) ausgebildet. Dann wird der obere Teil eines Übergangsabschnitts der p+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht) und der n+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht) mit einer Metalldünnschicht abgedeckt, wobei ein ohmscher Übergang gebildet wird. Auch ist es durch Übernehmen einer Konfiguration, wobei diese Konfiguration wiederholt wird, möglich, die Durchbruchspannung der Schutzdiode zu ändern und einzustellen.
  • Ebenfalls kann, obwohl nicht gezeigt, die Schutzdiode auch als bidirektional Diode konfiguriert sein, wobei unidirektionale Dioden Rücken-an-Rücken geschaltet sind (Rückwärtsrichtung). In diesem Fall ist die Schutzdiode aus einer n+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht), einer n-Schicht (mittlere Konzentration), einer p–-Schicht (Niederkonzentrationsschicht), einer p+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht), einer p–-Schicht (Niederkonzentrationsschicht), einer n-Schicht (Mittelkonzentrationsschicht) und einer n+-Schicht (Hochkonzentrationsschicht) ausgebildet. Auch ist es durch Übernahme einer Konfiguration, wobei diese Konfiguration wiederholt wird, möglich, die Durchbruchspannung der Schutzdiode zu ändern und einzustellen.
  • Ebenfalls ist es, wie zuvor beschrieben, durch abwechselndes Kurzschließen der p-n-Übergänge einer großen Anzahl reihengeschalteter bidirektionaler Dioden mit einer Metalldünnschicht möglich, reihengeschaltete unidirektionale Dioden zu erhalten. Selbst wenn eine Schutzdiode, die aus den unidirektionalen Dioden konfiguriert ist, zwischen Gate und Emitter oder Gate und Kollektor des IGBT eingefügt wird, ist es möglich, denselben Vorteil zu erhalten.
  • Ebenfalls kann, obwohl eine Beschreibung eines Beispiels gegeben worden ist, in dem die Schutzdiode 79 in einer Polysiliciumschicht ausgebildet ist, die Schutzdiode 79 auch in einer monokristallinen Siliciumschicht ausgebildet sein, die auf einer Isolierdünnschicht, wie etwa einem SOI-Substrat, ausgebildet ist. Dies kann auf alle Schutzdioden angewendet werden, die in der Ausführungsform 6 beschrieben sind.
  • Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 6 möglich, denselben Vorteil wie in Ausführungsform 1 zu erhalten.
  • Ebenfalls ist in den Ausführungsformen 1 bis 6 eine Beschreibung mit dem IGBT 72, der ein Leistungshalbleiterelement ist, als Beispiel eines Halbleiterelements, das ein geschütztes Element ist, gegeben worden, aber es ist möglich, denselben Vorteil wie zuvor beschrieben zu erhalten, indem die Erfindung bei einem Leistungs-MOS-Element, wie einem Leistungs-MOSFET, angewendet wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie vorstehend beschrieben, ist das Halbleiterbauelement gemäß der Ausführungsform als Halbleiterbauelement nützlich, wobei eine Stromstoß-Schutzdiode, die ein Leistungshalbleiterelement gegen eine von außen angelegte Stoßspannung oder eine von dem Element selbst beim Schalten erzeugte Stoßspannung schützt, auf demselben Halbleitersubstrat wie das Leistungshalbleiterelement ausgebildet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    p-Halbleitersubstrat
    1a
    p-Kollektorschicht
    2
    Hochkonzentrations-n-Halbleiterschicht
    3, 3a
    Niederkonzentrations-n-Halbleiterschicht
    4
    p-Senkenschicht
    5
    n-Emitterschicht
    7
    Gate-Isolierdünnschicht
    10
    Gate-Elektrode
    11
    Kollektorelektrode
    12
    Emitterelektrode
    16
    Isolierschicht (Oxiddünnschicht)
    17
    Isolierende Trennzone
    21, 40
    Hoch konzentrations-p-Anodenschicht
    22
    Niederkonzentrations-n-Kathodenschicht
    23, 43
    Hoch konzentrations-n-Kathodenschicht
    30, 31, 51a, 52a, 53a
    Kontaktloch
    34
    p-Senkenschicht
    35a
    n-Sourceschicht
    35b
    n-Drainschicht
    35c
    n-Kathodenschicht
    37
    Gate-Isolierdünnschicht
    38
    Gate-Elektrode
    41
    Niederkonzentrations-p-Anodenschicht
    42
    Mittelkonzentrations-n-Kathodenschicht
    48, 74
    p-n-Übergang
    51, 56
    Kathodenelektrode
    52, 57
    Anodenelektrode
    53
    Metalldünnschicht
    54
    Sourceelektrode
    55
    Drainelektrode
    58, 59
    Kontaktflächenelektrode
    60
    Isolierdünnschicht
    61
    Zwischenschicht-Isolierdünnschicht
    71, 75, 76, 77, 78, 79
    Schutzdiode
    71a
    Unidirektionale Diode
    72
    IGBT
    73
    Steuerschaltung
    100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 900
    Halbleiterbauelement
    L
    Abstand zwischen p-n-Übergang und Metalldünnschicht
    M
    Breite der Niederkonzentrations-p-Anodenschicht
    G
    Gate-Anschluss
    E
    Emitteranschluss
    C
    Kollektoranschluss
  • 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 11-251443 A [0023]

Claims (20)

  1. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus mehreren unidirektionalen Dioden konfiguriert ist, wobei mehrere n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten abwechselnd im Kontakt angeordnet sind und p-n-Übergänge (48, 74), die aus den n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten ausgebildet sind, abwechselnd von einer leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen werden, eine Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements verbunden ist, und eine Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist.
  2. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus mehreren unidirektionalen Dioden konfiguriert ist, wobei mehrere n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten abwechselnd im Kontakt angeordnet sind und p-n-Übergänge (48, 74), die aus den n-Typ-Halbleiterschichten und p-Typ-Halbleiterschichten ausgebildet sind, abwechselnd von einer leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen werden, eine Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, und eine Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements verbunden ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (51, 56) oder Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit der Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung (73) verbunden ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellenkonzentration der n-Typ-Halbleiterschicht niedriger als die Störstellenkonzentration der p-Typ-Halbleiterschicht ist, und die Störstellendosis der n-Typ-Halbleiterschicht 1 × 1013 cm–2 oder mehr, 5 × 1014 cm–2 oder weniger beträgt.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem p-n-Übergang (48, 74) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) und der leitenden Dünnschicht auf der n-Typ-Halbleiterschicht 1,5 μm oder mehr, 4,0 μm oder weniger beträgt.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Typ-Halbleiterschicht in Kontakt mit der Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus einer Niederkonzentrationsschicht und einer Hochkonzentrationsschicht ausgebildet ist, und, da die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht-n-Typ-Halbleiterschicht 1 × 1013 cm–2 oder mehr, 5 × 1014 cm–2 oder weniger beträgt, die Störstellendosis der Hochkonzentrationsschicht höher als die Störstellendosis der Niederkonzentrationsschicht ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von jeder der Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) und der n-Typ-Halbleiterschicht im Kontakt mit der Kathodenelektrode (51, 56) ausgebildet sind.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss des p-n-Übergangs (48, 74), der mit der leitenden Dünnschicht kurzgeschlossen wird, eine Form ist, in der die n-Typ-Halbleiterschicht und p-Typ-Halbleiterschicht in einer unregelmäßigen Form zusammenpassen.
  9. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (10) des Halbleiterelements verbunden ist, eine Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus vier Schichten einer unidirektionalen Diode (71a) konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass eine Sperrschicht durch eine Klemmspannung greift.
  10. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Kathodenelektrode (51, 56) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, eine Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (10) des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus vier Schichten einer unidirektionalen Diode (71a) konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (51, 56) oder Anodenelektrode (52, 57) der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit der Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung (73) verbunden ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) eine mehrstufige unidirektionale Diode ist, die aus den vier Schichten der unidirektionalen Diode (71a) ausgebildet ist, die in Vorwärtsrichtung in Reihe geschaltet sind.
  13. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Hauptelektrode der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer niederpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die andere Hauptelektrode der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus sieben Schichten einer bidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  14. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein Halbleiterelement und eine Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) einschließt, die über einer Isolierdünnschicht (60) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, auf dem das Halbleiterelement ausgebildet ist, wobei eine Hauptelektrode der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer hochpotenzialseitigen Hauptelektrode des Halbleiterelements verbunden ist, die andere Hauptelektrode der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit einer Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements verbunden ist, die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus sieben Schichten einer bidirektionalen Diode konfiguriert ist, die im Kontakt in der Reihenfolge einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp, einer Mittelkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp und einer Hochkonzentrations-Halbleiterschicht vom ersten Konduktivitätstyp ausgebildet ist, und die Breite der Niederkonzentrations-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp eine solche Breite ist, dass ein Durchgreifen einer Sperrschicht an einer Klemmspannung auftritt.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Hauptelektrode der Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) mit der Gate-Elektrode (38) des Halbleiterelements über eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Steuerschaltung (73) verbunden ist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus einer mehrstufigen bidirektionalen Diode ausgebildet ist, die aus den sieben in Reihe geschalteten Schichten der bidirektionalen Diode ausgebildet ist.
  17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptelektrode an einer Stelle entfernt ist, an der die sieben Schichten der bidirektionalen Diode in Reihe geschaltet sind.
  18. Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 9, 10, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode (71, 75, 76, 77, 78, 79) aus einer Polysiliciumschicht oder einer monokristallinen Siliciumschicht ausgebildet ist.
  19. Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 9, 10, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Niederkonzentration-Halbleiterschicht vom zweiten Konduktivitätstyp der Schutzdiode aus einer Niederkonzentrations-p-Typ-Halbleiterschicht ausgebildet ist, die Breite der Niederkonzentrations-p-Typ-Halbleiterschicht 2 μm oder weniger beträgt.
  20. Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 9, 10, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein IGBT (72) oder MOSFET ist, die Leistungs-MOS-Typ-Elemente sind.
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