DE69329093T2

DE69329093T2 - Hochspannungs-MIS-Transistor und Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE69329093T2
Application number: DE69329093T
Authority: DE
Inventors: Naoto Fujishima; Akio Kitamura; Gen Tada
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2013-10-19
Also published as: US5436486A; EP0594111A1; DE69329093D1; JP3203814B2; EP0594111B1; JPH06132525A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Struktur eines Hochspannungs-MIS- Transistors und, insbesondere, auf eine Integrationstechnologie, die darauf zielt, einen Integrationsverlust zu reduzieren und eine Vorrichtungszuverlässigkeit beim Integrieren, wie beispielsweise eines Transistors, mit einem CMOS-Transistor oder dergleichen, zu erhöhen.
In Fig. 19 ist die Struktur eines herkömmlichen Hochspannungs-MOS-Transistors dargestellt. Der Hochspannungs-MOS-Transistor ist ein IGBT eines horizontalen Typs, der durch ein Gate-Signal, das zu einer Gateelektrode 2111 gegeben wird, angesteuert oder gesteuert werden kann. In dem Hochspannungs-MOS-Transistor ist ein Emitterbereich, mit dem eine Emitterelektrode 2114 verbunden ist, von einem Kollektorbereich, mit dem eine Kollektorelektrode 2115 verbunden ist, beabstandet, wodurch eine Emitter-Kollektor- Spannungswiderstandsfähigkeit gesichert wird. Auch ist in dem Hochspannungs-IGBT eine beerdigte Schicht 2102 auf der Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats 2101 vom p-Typ gebildet, und eine epitaxiale Schicht 2103 vom n-Typ, die auf die Oberflächenseite sowohl des Substrats 2101 als auch der Schicht 2102 aufgelegt ist, ist in einen Halbleiterinselbereich durch eine Isolationsdiffusionsschicht 2104 vom p-Typ separiert, die so gebildet ist, um sich von der Oberflächenseite der epitaxialen Schicht 2103 zu der beerdigten Schicht 2102 zu erstrecken. In einem Endbereich der epitaxialen Schicht 2103 ist eine Basisschicht 2109 vom P-Typ vorgesehen, die durch die Fusion so gebildet ist, um sich von der epitaxialen Schicht 2103 zu der Isolationsdiffusionsschicht 2104 zu erstrecken, während auf der Oberfläche der Basisschicht 2109 eine Emitterschicht 2108 vom n&spplus;-Typ und einer Basiskontaktschicht 2107 vom p&spplus;-Typ gebildet sind. Und die Emitterelektrode 2114 ist mit sowohl der Emitterschicht 2108 als auch mit der Basiskontaktschicht 2107 gebildet. Auch umfaßt die epitaxiale Schicht 2103 in dem anderen Endbereich davon eine Basisschicht 2105 vom n-Typ, die durch Diffusion gebildet ist, eine Kollektorschicht 2106 vom p- Typ, die auf der Oberfläche der Basisschicht 2105 gebildet ist, und eine Kontaktschicht 2110 vom p&spplus;-Typ, die innerhalb der Kollektorschicht 2106 gebildet ist. Und die Kollektorelektrode 2115 ist mit der Kontaktschicht 2110 verbunden. Auch ist auf den Oberflächen der Emitterschicht 2108 vom n&spplus;-Typ, der Basisschicht 2109 vom p-Typ und der epitaxialen Schicht 2103 vom n-Typ die Gateelektrode 2111 durch einen gate-oxidierten Film 2112 gebildet. Auf der Oberfläche der epitaxialen Schicht 2103 ist ein oxidierter Film 2113 gebildet, der durch Erweitern des gate-oxidierten Films 2112 integral damit gebildet ist und größer in der Dicke als der oxidierte Film 2112 ist.
In dem Hochspannungs-IGBT, der die vorstehend erwähnte Struktur besitzt, wird, wenn eine Kollektorspannung, die positiv in Bezug auf ein Emitterpotential ist, das an die Emitterelektrode 2114 angelegt werden soll, an die Kollektorelektrode 2115 angelegt wird, und ein Gate-Potential, das positiv in Bezug auf das Emitterpotential ist, an die Gateelektrode 2111 angelegt, dann die Oberfläche der Basisschicht 2109 unmittelbar unterhalb der Gateelektrode 2111 invertiert, um als ein Kanal zu arbeiten, so daß sich ein MOSFET, der aus der Emitterschicht 2108, der Basisschicht 2109 und der epitaxialen Schicht 2103 besteht, einschaltet. Als Folge hiervon fließen Elektronen von der Emitterelektrode 2114 durch die Emitterschicht 2108 und den Kanal, der auf der Oberfläche der Basisschicht 2109 gebildet ist, in die epitaxiale Schicht 2103. Dies bedeutet, daß ein Basisstrom zu einem ersten pnp-Transistor zugeführt wird, der aus der Kollektorschicht 2106, der epitaxialen Schicht 2103 und dem Halbleitersubstrat 2101 besteht, und zu einem zweiten pnp- Transistor zugeführt wird, der aus der Kollektorschicht 2106, der epitaxialen Schicht 2103 und der Basisschicht 2109 besteht, und demzufolge werden der erste und der zweite pnp- Transistor dazu gebracht, sich einzuschalten. Dies bewirkt, daß die Kollektorschicht 2106 positive Löcher in die epitaxiale Schicht 2103 injiziert, so daß die epitaxiale Schicht 2103 in einen sogenannten Leitfähigkeitsmodulationszustand geschaltet wird, in dem Elektronen und Löcher zusammen existieren. Mit anderen Worten ist der Hochspannungs-IGBT unter einer niedrigen Einschaltspannung betreibbar und ist auch in der Lage, einen großen Strom aufzunehmen.
Hierbei kann, in dem Hochspannungs-IGBT, da die Gateelektrode 2111 in einer solchen Art und Weise angeordnet ist, um sich über den gate-oxidierten Film 2112 und den dickeren, oxidierten Film 2113 zu erstrecken, die Gateelektrode 2111 die elektrische Konzentration an dem Kollektor-Anschluß der Gateelektrode 2111 lockern und demzufolge kann der Vorrichtungsspannungswiderstand beibehalten werden.
Auch besitzt der Kollektorbereich eine Dualdiffusionsstruktur, bei der die Kollektorschicht 2106 innerhalb der Basisschicht 2105 gebildet ist, und, aus diesem Grund, ist es, wenn die Vorrichtung abgeschaltet ist, möglich, den Durchgriff einer Verarmungsschicht zu verhin dern die sich von einem pn-Übergang zwischen der epitaxialen Schicht 2103 und der Basisschicht 2109, der Isolationsdiffusionsschicht 2104, der beerdigten Schicht 2102 und dem Halbleitersubstrat 2101 erstreckt. Eine Vorrichtung ähnlich zu derjenigen, die in Fig. 19 dargestellt ist, ist aus der ET-A-0 371 785 bekannt.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 20 wird ein anderes Beispiel eines herkömmlichen Hochspannungs-MOS-Transistors dargestellt. Dieser Hochspannungs-MOS-Transistor ist ein lateraler MOSFET vom n-Kanal-Typ, der durch ein Gate-Signal angesteuert und gesteuert wird, das zu einer Gateelektrode 2124 zugeführt wird und eine Hochspannungsstruktur besitzt. Insbesondere ist Fig. 20 (a) eine Draufsicht der Struktur des Hochspannungs- MOSFET und Fig. 20 (b) ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie A-A', dargestellt in Fig. 20 (a), vorgenommen ist. In Fig. 20 sind Teilen entsprechend solchen, die in Fig. 19 dargestellt sind dieselben Bezeichnungen gegeben. Der Hochspannungs-MOSFET umfaßt ein Halbleitersubstrat 2101 vom p-Typ, eine beerdigte Schicht 2102 vom p-Typ, die auf der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 2101 gebildet ist, eine epitaxiale Schicht 2103 vom n-Typ, die auf der Oberflächenseite des Substrats 2101 gebildet ist, und eine beerdigte Schicht 2102, und eine Isolationsdiffusionsschicht 2104 vom p-Typ, die die epitaxiale Schicht 2103 zu einem Halbleiterinselbereich isoliert. Und innerhalb der Basisschicht 2109 vom p-Typ, die so gebildet ist, um sich von einem Endbereich der epitaxialen Schicht 2103 zu der Isolationsdiffusionsschicht 2104 zu erstrecken, sind eine Basiskontaktschicht 2107 vom p&spplus;-Typ und eine Sourceschicht 2121 vom n&spplus;-Typ gebildet, wobei mit beiden eine Sourceelektrode 2125 verbunden ist. Auch ist auf der Oberfläche des anderen Endbereichs der epitaxialen Schicht 2103 eine Drain-Schicht 2122 vom n&spplus;-Typ gebildet, mit der eine Drainelektrode 2123 verbunden ist. Weiterhin ist auf den Oberflächen der Sourceschicht 2121, der Basisschicht 2109 und der epitaxialen Schicht 2103 die Gateelektrode 2124 durch einen gate-oxidierten Film 2112 vorgesehen. In diesem Hochspannungs-MOSFET ist, für die Drainelektrode 2123, die in dem Kanalbereich der Vorrichtung gelegen ist, eine Drainanschlußfläche 2128 extern des Elements vorgesehen, und die Drainelektrode 2123 ist mit der Drainanschlußfläche 2128 mittels eines Draindrahts 2126 verbunden, so daß die Verdrahtung leicht in der Integration erreicht werden kann. Der Draindraht 2126 ist auch mit der epitaxialen Schicht 2103, der Sourceschicht 2121 und der Gateelektrode 2124 über einen Zwischenschichtisolationsfilm 2127 verbunden, der auf den oberen Bereichen davon gebildet ist.
In den vergangenen Jahren ist die Entwicklung eines Leistungs-IC vorangetrieben worden, der einen Leistungstransistor mit einer hohen Haltespannunung von einigen hundert V (Volt) oder mehr und einen hohen Stromausgang in der Größenordnung von einigen Å (Ampere) und einen Steuerschaltkreis, der teilweise bei einer niedrigen Spannung von ungefähr 5 V betreibbar ist, in einem Chip integrieren kann, und der Leistungs-IC ist weit verbreitet bei elektrischen Haushaltsanwendungen und dergleichen angewandt worden. Um einen solchen Leistungs-IC unter niedrigen Kosten zu realisieren, ist es unerläßlich, die Größe des Chips zu reduzieren. Deshalb ist es in dem Leistungs-IC wichtig, die Größe des Leistungstransistorteils zu reduzieren, der einen großen Bereich belegt. Auch ist es bei der Herstellung des Leistungstransistorteils, wenn die Anzahl der Herstellschritte erhöht wird, dann unmöglich, die Herstellkosten des Leistungs-IC's zu verringern. Allerdings sind, in dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Hochspannungs-MOS- Transistor, aufgrund der Tatsache, daß die Elementisolation berücksichtigt werden muß, und der Bildung der eingebetteten Schicht, das epitaxiale Wachstum und die Bindung der Isolationsdiffusionsschicht auch notwendig, wenn diese Komponenten in einen Chip hinein kombiniert werden, um dadurch einen integrierten Schaltkreis zu bilden, wobei die Anzahl der Herstellschritte erhöht wird, was zu den hohen Kosten führt. Auch nimmt es, obwohl der Hochspannungs-IGBT, der in Fig. 19 dargestellt ist, unter einer niedrigen Einschaltspannung aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation der epitaxialen Schicht 2103 betreibbar ist und auch in der Lage ist, einen großen Strom aufzunehmen, da der pnp- Transistor gesättigt wird, wenn der IGBT abgeschaltet wird, eine lange Zeit in Anspruch, um Minoritätsträger, die in der epitaxialen Schicht 2103 und dem Halbleitersubstrat 2101 gespeichert sind, herauszubringen, was einen großen Verlust liefert, wenn eine Hochgeschwindigkeitsumschaltung in dem Bereich von 200 kHz bis 1 MHz vorgenommen wird. Weiterhin wird, aufgrund eines Flusses eines großen Wobbelstroms ein parasitärer Thyristor betätigt, was eine Gefahr mit sich bringt, daß die Abschaltfähigkeit selbst verloren geht.
Andererseits ist, in dem Hochspannungs-MOSFET, der in Fig. 20 dargestellt ist, da sich eine Verarmungsschicht in einer lateralen Richtung ausbreitet, um eine erforderliche Haltespannung sicherzustellen, eine lange Offset-Schicht notwendig. Allerdings ist es schwierig, den Querschnittsflächenbereich der Offset-Schicht sicherzustellen, und deshalb erhöht sich, wenn der MOSFET eingeschaltet ist, der Widerstand leicht. Auch ist, wie vorstehend erwähnt ist, der Draindraht 2126, der die Drainelektrode 2126 mit der Drainanschlußfläche 2128 verbindet, oberhalb der epitaxialen Schicht 2103, der Sourceschicht 2121 und der Gateelektrode 2124 durch den Zwischenschichtisolationsfilm 2127 angeordnet. Allerdings kann, in einem LSI Prozeß der Zwischenschichtisolationsfilm 2127 so gebildet werden, daß die Dicke davon nur ungefähr 600 nm bis 1000 nm (ungefähr 6000 Å bis 10 000 Å) beträgt, und, aus diesem Grund, tritt, wenn ein hohes Potential an die Drainelektrode 2123 angelegt wird, eine übermäßige elektrische Feldkonzentration in dem Endbereich der Drainseite der Gateelektrode 2124 auf. Als Folge hiervon kann, sogar dann, wenn ein ausreichender Abstand zwischen der Gateelektrode 2124 und der Drainschicht 2122 sichergestellt wird, nur die Haltespannung von 200 V realisiert werden, und deshalb ist es schwierig, die Zuverlässigkeit der Vorrichtung sicherzustellen.
Die EP-A-02 80 535 beschreibt einen Leitfähigkeits-Modulations-Metalloxyd-Halbleiter- Feldeffekttransistor, der einen Bereich vom n-Typ aufweist. Eine Doppel-Gate-Struktur ist vorgesehen, um ein Träger-Sweep-out von der Well-Schicht zu erreichen.
Eine Vorrichtung, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, ist in der EP-A-02 72 754 offenbart.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, die vorstehend erwähnten Probleme, die in dem herkömmlichen Hochspannungs-MOSFET und IGBT vorgefunden werden, zu beseitigen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Hochspannungs-MIS-Transistor zu realisieren, der mit Elementen angeordnet werden kann, die einen Steuerschaltkreisteil bilden, wie beispielsweise ein CMOS, auf demselben Substrat, der hoch zuverlässig ist und eine ausreichende Haltespannung besitzt.
Die vorstehende Aufgabe kann mit einer Halbleitervorrichtung gelöst werden, die die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 besitzt.
Der Hochspannungs-MIS-Transistor der vorliegenden Erfindung, der die vorstehend erwähnten, verschieden Einrichtungen umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Well- Bereich durch einen Schritt eines Injizierens von Ionen von der Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats aus und durch einen thermischen Diffusionsschritt, der dem Ioneninjektionsschritt folgt, gebildet. Deshalb sind, beim Integrieren dieses Hochspannungs-MIS- Transistors zusammen mit Elementen, die einen Steuerschaltkreisteil bilden, wie beispielsweise einen CMOS, Schritte beseitigt beziehungsweise eliminiert, die nur für diesen Hochspannungs-MIS-Transistor notwendig sind, wie beispielsweise einen Schritt zur Bil dung der beerdigten Schicht und einen Schritt eines epitaxialen Anwachsens, und demzufolge kann der vorliegende Hochspannungs-MIS-Transistor in demselben Schritt wie der Störstellenbereich von Elementen, die den Steuerschaltkreisteil bilden, gebildet werden. Dies kann die Anzahl von Herstellschritten verringern und macht es auch möglich, einen integrierten Schaltkreis unter niedrigen Kosten zu schaffen. Auch ist es, da es nicht notwendig ist, eine Isolationsdiffusionsschicht zu bilden, möglich, den Vorrichtungsbereich zu reduzieren. Weiterhin wird sich, aufgrund der Tatsache, daß die Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats niedriger als diejenige des Well-Bereichs eingestellt werden kann, eine Verarmungsschicht, um sich von einem Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Well-Bereich auszubreiten, wenn eine inverse Vorspannung angelegt wird, hauptsächlich zu dem Halbleitersubstrat hin ausbreiten, so daß ein weiter Bereich einer sich ausbreitenden Verarmungsschicht sichergestellt werden kann, um dadurch zu ermöglichen, daß das Element einer Hochspannung standhält. Zur selben Zeit kann, da die Störstellenkonzentration des Well-Bereichs relativ höher eingestellt werden kann, ein Hauptstromströmungskanal von einem niedrigen Widerstand sein, so daß ein niedriger Einschaltwiderstand mit einer hohen Spannung kompatibel ist. Weiterhin kann, da die Störstellenverteilung des Well-Bereichs im wesentlichen mit einer Gauss'schen Verteilung übereinstimmt, die Störstellenkonzentration gleichförmiger als eine herkömmliche Offset- Schicht gestaltet werden, die durch das epitaxiale Wachstum gebildet ist, eine elektrische Feldverteilung innerhalb der Verarmungsschicht, die sich von dem Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Well-Bereich ausbreitet, wird weiterhin in der Gleichförmigkeit verbessert, was es möglich macht, eine weiter verbesserte Struktur mit einer hohen Haltespannung zu realisieren.
Und in diesem Hochspannungs-MIS-Transistor kann, aufgrund der Tatsache, daß das Umschaltelement zum Verbinden des Kollektors und der Basis des Hauptstromflußkanals in Art eines Kurzschlußschaltkreises durch Kombinieren einer Vielzahl von Elementen realisiert wird, und, demzufolge, wenn das Element abgeschaltet wird, wobei Minoritätsträger, die in dem Well-Bereich gespeichert werden sollen, schnell zu der Emitterseite hin herausgezogen werden können, eine Zeit, die dazu notwendig ist, die gespeicherten Träger herauszubringen, in einem großen Umfang reduziert werden, was ermöglicht, daß das Element einen Hochgeschwindigkeitsumschaltvorgang realisiert. Hierbei wird, wenn ein Kondensator, der strukturell auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, als eine Treibersource für das Umschaltelement verwendet wird, das Erfordernis für einen Signalanschluß eliminiert, der dazu verwendet wird, das Umschaltelement zu steuern, was es leicht macht, das Element auszulegen, und auch möglich macht, die Verdrahtung zu vereinfachen. Weiterhin wird dabei, wenn eine im wesentlichen konzentrische Struktur als eine ebene Struktur einer Halbleitervorrichtung eingesetzt wird, die den Hochspannungs-MIS- Transistor der Erfindung umfaßt, und zwar durch Verbinden eines Hochspannungsausgangsdrahts von dem zentralen Bereich des Elements zu einem Package-Anschluß durch Verwendung eines Luftdrahts, das Erfordernis eliminiert, den Hochspannungsdraht entlang des Elements führend zu gestalten, um dadurch eine Erzeugung einer elektrischen Feldkonzentration aufgrund des Hochspannungsausgangsdrahts zu vermeiden, was die Zuverlässigkeit der Spannungswiderstandsfähigkeit der Vorrichtung verbessern kann. Das bedeutet, daß, da dabei die Zuverlässigkeit des MIS-Teils dieser Halbleitervorrichtung, die einen großen Einfluß auf den Steuerschaltkreisteil davon besitzt, sichergestellt werden kann, es möglich ist, die Zuverlässigkeit einer integrierten Schaltkreisvorrichtung zu verbessern, die den Hochspannungs-MIS-Transistor der vorliegenden Erfindung verwendet. Auch ist dabei das Erfordernis beseitigt, die Endbereiche der jeweiligen Schichten zu behandeln, mit dem Ergebnis, daß die integrierte Schaltkreisvorrichtung leicht herzustellen und auszulegen ist.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur einer CMOS zeigt, die mit einem Hochspannungs-MOS-Transistor integriert ist, zum Erläutern der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT zum Erläutern der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaftkreis darstellt, in dem der Hochspannungs-IGBT in Fig. 2 zusammen mit externen Elementen dargestellt ist;
Fig. 5 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis darstellt, in dem der Hochspannungs-IGBT in Fig. 2 zusammen mit externen Elementen dargestellt ist;
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT zum Erläutern der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 7 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis darstellt, bei dem der Hochspannungs-IGBT in Fig. 6 zusammen mit externen Elementen dargestellt ist;
Fig. 8 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis darstellt, in dem der Hochspannungs-IGBT in Fig. 6 zusammen mit externen Elementen dargestellt ist;
Fig. 9 (a) zeigt eine Draufsicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 (b) zeigt eine Schnittansicht, die den IGBT der Fig. 9 (a) darstellt;
Fig. 10 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis des Hochspannungs-IGBT, dargestellt in Fig. 9, zeigt;
Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 12 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis des Hochspannungs-IGBT, dargestellt in Fig. 11, zeigt;
Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 14 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis des Hochspannungs-IGBT, dargestellt in Fig. 13, zeigt;
Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 16 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis des Hochspannungs-IGBT, dargestellt in Fig. 15, zeigt;
Fig. 17 (a) zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-MOSFET gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 17 (b) zeigt eine Draufsicht, die den MOSFET der Fig. 17 (a) darstellt;
Fig. 18 zeigt eine Draufsicht, die die Struktur eines Hochspannungs-MOSFET gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 19 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines herkömmlichen Hochspannungs- IGBT darstellt;
Fig. 20 (a) zeigt eine Draufsicht, die die Struktur eines herkömmlichen Hochspannungs- MOSFET darstellt; und
Fig. 20 (b) zeigt eine Schnittansicht des vorstehenden MOSFET, vorgenommen entlang der Linie A-A', dargestellt in Fig. 20 (a).
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-MOS-Transistors 3 zum Erläutern der vorliegenden Erfindung darstellt. Dieser Hochspannungs-MOS- Transistor ist ein lateraler IGBT 100 mit einer npnp-Struktur, die eine Emitterschicht 105 vom n&spplus;-Typ, eine Basisschicht 103 vom p-Typ, eine Well-Schicht 102 vom n-Typ und eine Kollektorschicht 107 vom p-Typ umfaßt. Das bedeutet, daß der IGBT 100 eine Hochspannungs-Widerstandsstruktur besitzt, da die breite Well-Schicht 102 zwischen der Emitterschicht 105 und der Kollektorschicht 107 befestigt ist. In dem vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100 ist ein MOS-Teil 131 in einem Endbereich der Oberfläche der Well- Schicht 102 vom n-Typ, gebildet auf einem Halbleitersubstrat 101 vom p-Typ, das eine niedrige Konzentration und einen hohen Widerstand besitzt, gebildet, während ein Kollektorteil 132 in dem anderen Endbereich davon gebildet ist. In dem MOS-Teil 131 ist die Basisschicht 103 vom p-Typ, die eine einen Kanal bildende Schicht liefert, gebildet, und, in der Basisschicht 103, ist weiterhin eine Emitterschicht 105 vom n&spplus;-Typ und eine Basiskontaktschicht 104 vom p&spplus;-Typ gebildet. Auch ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 101 eine Dotierschicht 113 vom p&spplus;-Typ gebildet, die angrenzend an die Well-Schicht 102 liegt, und in die Störstellen hinein unter einer hohen Konzentration eingeführt sind. In dem MOS-Teil 131 ist, auf den Oberflächen der Emitterschicht 105 vom n&spplus;-Typ, der Basisschicht 103 vom p-Typ und der Well-Schicht 102 vom n-Typ, eine Gateelektrode 125 durch einen gate-oxidierten Film 110 gebildet. Hierbei ist, auf der Oberfläche der Well- Schicht 102, die sich zwischen dem MOS-Teil 131 und dem Kollektorteil 132 erstreckt, ein dicker feld-oxidierter Film 112 gebildet, der sich integral von dem gate-oxidierten Film 110 aus erstreckt, und die Gateelektrode 125 ist so angeordnet, um sich von dem gate- oxidierten Film zu dem feld-oxidierten Film 112 zu erstrecken. Und Emitterelektroden 124 sind jeweils mit der Emitterschicht 105, der Basiskontaktschicht 104 und der Dotierschicht 113 verbunden. Auf diese Art und Weise liefern, in dem MOS-Teil 131, die Emitterschicht 105 und die Basisschicht 103 eine duale Diffusionsstruktur und auch wird das elektrische Feld der Gateelektrode 125 auf der Seite des Kollektorteils 132 durch den feld-oxidierten Film 112 gelockert, um dadurch die Widerstands- bzw. Haltespannung der Vorrichtung zu verbessern.
Andererseits sind, in dem Kollektorteil 132, der in dem anderen Endbereich der Well- Schicht 102 vorgesehen ist, eine Basisschicht 106 vom n-Typ auf der Oberfläche der Well- Schicht 102 gebildet, und, innerhalb der Basisschicht 106, sind eine Kollektorschicht 107 vom p-Typ und eine Basiskontaktschicht 109 vom n&spplus;-Typ gebildet. Weiterhin ist auf der Oberfläche der Kollektorschicht 107 eine Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ gebildet. Hierbei sind die Kollektorelektroden 126 jeweils mit der Kontaktschicht 108 und der Basiskontaktschicht 109 verbunden. Auf diese Art und Weise liefern, in dem Kollektorteil 132 ebenso, die Kollektorschicht 107 und die Basisschicht 106 eine duale Diffusionsstruktur, um dadurch die Spannungswiderstandsfähigkeitseigenschaft der Vorrichtung sicherzustellen. In dem IGBT 100 ist ein Emitteranschluß 114 mit den Emitterelektroden 124 verbunden, ein Gate-Anschluß 115 ist mit der Gateelektrode 125 verbunden, und ein Kollektoranschluß 116 ist mit den Kollektorelektroden 126 verbunden. Auch wird ein Erdungspotential zu dem Halbleitersubstrat 101 von der hinteren Oberflächenseite davon zugeführt, wenn I montiert ist.
Hierbei sind, in dem Hochspannungs-IGBT 100, die jeweiligen Störstellenbereiche, wie beispielsweise die Well-Schicht 102, die auf dem Halbleitersubstrat 101 vorgesehen ist, durch einen Schritt eines Injizierens von Ionen von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 101 aus und durch einen thermischen Diffusionsschritt, der dem Ioneninjektionsschritt folgt, gebildet. Zum Beispiel ist die Well-Schicht 102 durch ein Ioneninjizieren P als ein Donator unter einer Spannung von 90 kV von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 101 und dann durch Diffundieren des P bei einer Temperatur von 1100ºC unter Sauerstoffatmosphäre gebildet. In dem Hochspannungs-IGBT 100, der eine solche Struktur besitzt, können die gesamten Ionenmengen und Diffusionstiefen der jeweiligen Diffusionsschichten mit einer hohen Genauigkeit kontrolliert werden, was es möglich macht, die Variationen in der Widerstandsspannung, der Einschaltspannung und dem Einschaltstrom der Vorrichtung zu minimieren, und dadurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Weiterhin kann, da hierbei kein Erfordernis zur Bildung einer beerdigten Schicht und für ein epitaxiales Wachstum, die nach dem Stand der Technik notwendig sind, vorhanden ist, die Anzahl der Herstellschritte des IGBT 100 reduziert werden und demzufolge können die Kosten davon um 30% oder dergleichen reduziert werden, wenn mit dem Herstellverfahren nach dem Stand der Technik verglichen wird.
Als nächstes wird die Betriebsweise des vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100 beschrieben werden. Zuerst wird, wenn der IGBT 100 eingeschaltet ist, in einem Zustand so, daß, in Bezug auf ein Emitterpotential, das an die Emitterelektrode 124 angelegt werden soll, eine positive Kollektorspannung an die Kollektorelektrode 126 angelegt, wenn ein po sitives Potential gleich zu oder größer als eine Schwellwertspannung an die Gateelektrode 125 in Bezug auf das Emitterpotential angelegt wird, dann die Oberfläche der Basisschicht 103 unmittelbar unterhalb der Gateelektrode 125 invertiert, um als ein Kanal zu arbeiten, so daß Elektronen ermöglicht wird, von der Emitterschicht 105 zu der Well-Schicht 102 zu wandern. Die Elektronen, die in die Well-Schicht 102 gewandert sind, wandern als nächstes quer entlang der Well-Schicht 102 zu der Basiskontaktschicht 109, wo sie absorbiert werden. In diesem Fall werden, da ein elektrischer Strom von der Emitterschicht 105 unmittelbar unterhalb der Kollektorschicht 107 in die Basiskontaktschicht 109 fließt, positive Löcher von der Kollektorschicht 107 aus in die Well-Schicht 102 aufgrund eines Spannungsabfalls injiziert, der unmittelbar unterhalb der Kollektorschicht 107 auftritt. Dies versetzt die Well-Schicht 102 in einen Leitfähigkeitsmodulationszustand, in dem die Elektronen und positiven Löcher zusammen existieren. Als Folge hiervon wird ermöglicht, daß mehr elektronische Ströme fließen, und gleichzeitig werden die positiven Löcher, die von der Kollektorschicht 107 aus injiziert sind, zu den positiven Lochstromkomponenten hinzugefügt, die die Basisschicht 103 und das Halbleitersubstrat 101 erreichen. Auf diese Art und Weise kann der Hochspannungs-IGBT 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter einer niedrigen Einschaltspannung betrieben werden und ist auch in der Lage, einen großen Strom zu steuern.
Als nächstes wird, in dem Auszustand, wenn eine Null-Spannung oder eine negative Spannung in Bezug auf das Emitterpotential an die Gateelektrode 125 angelegt wird, dann der Kanal, der auf der Oberfläche der Basisschicht 103 gebildet ist, dazu gebracht, zu verschwinden, und die Injektion der Elektronen von der Emitterschicht 105 aus wird dazu gebracht, zu stoppen, mit dem Ergebnis, daß der vorliegende Hochspannungs-IGBT 100 von seinem Leitungszustand zu seinem Blockierzustand geschaltet wird. Die Minoritätsträger, die in der Well-Schicht 102 und dem Halbleitersubstrat 101 gespeichert sind, wandern zu der Basisschicht 103 und der Kontaktschicht 104 vom p&spplus;-Typ durch die Emitter-Kollektor- Spannung heraus, die durch die externe Energiezufuhr angelegt ist, so daß der vorliegende Hochspannungs-IGBT 100 abgeschaltet wird. In diesem Fall werden, in dem pn- Übergang zwischen der Well-Schicht 102 und dem Halbleitersubstrat 101 und in dem pn- Übergang zwischen der Well-Schicht 102 und der Basisschicht 103, Verarmungsschichten jeweils entsprechend der angelegten Spannungen ausgebreitet, und demzufolge werden elektrische Felder angelegt. Hierbei kann, in dem vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100, da die Well-Schicht 102 mittels des Ioneninjektionsschriffs und dergleichen gebildet wird, die Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats 101 niedriger als diejenige der Well- Schicht 102 eingestellt werden. Demzufolge breitet sich in dem pn-Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat 101 und der Well-Schicht 102 die Verarmungsschicht hauptsächlich zu dem Halbleitersubstrat 101 hin aus, um dadurch einen Bereich sicherzustellen, in dem sich die Verarmungsschicht ausbreitet, so daß eine Vorrichtung mit einer hohen Widerstandsspannung realisiert werden kann. Auch kann, da dabei das Erfordernis eliminiert wird, daß die Well-Schicht 102 in einer langen Offset-Schicht und mit niedriger Konzentration gebildet wird, die notwendig ist, um eine Spannungswiderstandsfähigkeit beziehungsweise Haltespannung in einem herkömmlichen Hochspannungs-MOS-Transistor zu halten, die Well-Schicht 102 in der Größe reduziert werden, um so eine Vorrichtung zu schaffen, die kompakt und dünn in der lateralen Richtung davon ist, und auch kann die Störstellenkonzentration der Well-Schicht 102 auf ein relativ hohes Niveau eingestellt werden. Das bedeutet, daß der Hochspannungs-IGBT 100 einen Kompromiß zwischen einem niedrigen Einschaltwiderstand und einer hohen Haltespannung verbessern kann und auch die niedrige Einschaltspannung und die hohe Haltespannung ausgleichen kann. Auch bestimmt, da die Well-Schicht 102 mittels des Ioneninjektions- und thermischen Diffusionsschritts gebildet ist, die Störstellenverteilung in der Well-Schicht 102 im wesentlichen mit einer Gauss'schen Verteilung überein, so daß die Störstellenkonzentration gleichförmiger gestaltet werden kann, wenn mit einer herkömmlichen Offset-Schicht verglichen wird, die durch das epitaxiale Wachstum gebildet ist. Dies macht es möglich, die Gleichförmigkeit der elektrischen Feldverteilung in der Verarmungsschicht, die sich von dem pn-Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat 101 und der Well-Schicht 102 ausbreitet, zu verbessern, so daß eine verbesserte Hochspannungshaltestruktur realisiert werden kann. Weiterhin können, in dem vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100, da er die Dotierschicht 113, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 101 gebildet ist, und die Basiskontaktschicht 109, die auf der Oberfläche der Basisschicht 106 gebildet ist, wenn der IGBT100 abgeschaltet wird, die Träger, die in die Well-Schicht 102 hinein wandern müßten, die Basisschicht 106 und das Halbleitersubstrat 101 mittels der Dotierschicht 113 und der Basiskontaktschicht 109 herausgezogen werden, was eine Zeit reduzieren kann, die notwendig ist, um die gespeicherten beziehungsweise bevorrateten Träger herauszuziehen, um dadurch zu ermöglichen, einen Hochgeschwindigkeitsumschaltvorgang zu realisieren.
Auf diese Art und Weise erfordert der vorliegende Hochspannungs-IGBT 100 kein Substrat mit einer großen Dicke, sondern kann eine ausreichende Haltespannung mit einer Substratdicke nahezu gleich zu derjenigen eines Substrats für einen einen CMOS oder einen bipolaren Transistor bildenden Steuerschaltkreisteil, erhalten, so daß der vorliegende Hochspannungs-IGBT 100 auf demselben Substrat wie der Niederspannungssteuerschaltkreisteil gebildet werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht, die einen Niederspannungssteuerschaltkreisteil darstellt, der auf demselben Substrat wie der vorstehend erwähnte Hochspannungs-IGBT 100 gebildet werden kann. In Fig. 2 ist, auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 101 vom p- Typ, ein Niederspannungssteuerschaltkreisteil mittels eines CMOS gebildet, der aus einem MOS vom n-Kanal-Typ, gebildet in einem Well-Bereich 1802 vom p-Typ, und einem MOS vom p-Kanal-Typ, gebildet in einem Well-Bereich 1803 vom n-Typ, gebildet. In diesem Niederspannungssteuerschaltkreisteil kann der Well-Bereich 1803 vom n-Typ durch denselben Schritt wie die Well-Schicht 102 vom n-Typ des Hochspannungs-IGBT 100, dargestellt in Fig. 1, gebildet werden, und auch kann eine Feldschicht 1804 vom p-Typ und eine Feldschicht 1805 vom n-Typ durch dieselben Schritte wie die Basisschicht 103 vom p-Typ und die Basisschicht 106 vom n-Typ desselben Hochspannungs-IGBT 100 gebildet werden. Natürlich können die Source- und Drainschichten dieses Niederspannungssteuerschaltkreisteils in denselben Schritten wie die Emitter- und Kollektorschichten desselben Hochspannungs-IGBT 100 gebildet werden. Auf diese Art und Weise können, in der integrierten Halbleiterschaltkreisvorrichtung, die in einem Chip unter Verwendung des Hochspannungs-IGBT 100 der Erfindung gebildet ist, ein Störstellenbereich für die hohe Haltespannung und ein Störstellenbereich für den Niederspannungssteuerschaltkreisteil gleichzeitig gebildet werden, was es möglich macht, die Herstellschritte des Chips zu verringern. Hierbei muß nicht gesagt werden, daß, als der Niederspannungssteuerschaltkreisteil, der mit dem Hochspannungs-IGBT 100 der Erfindung in einem Chip kombiniert werden kann, neben dem CMOS, ein bipolarer Transistor oder ein BiCMOS ebenso verwendet werden kann.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100a zum Erläutern der vorliegenden Erfindung darstellt. In dem Hochspannungs-IGBT 100a, dargestellt in Fig. 3, sind Teilen entsprechend solchen des Hochspannungs-IGBT 100, darge stellt in Fig. 1, dieselben Bezeichnungen gegeben, und die Beschreibung davon wird hier weggelassen.
Der Hochspannungs-IGBT 100a ist von dem vorstehenden Hochspannungs-IGBT 100 dahingehend unterschiedlich, daß, auf der Oberfläche einer Well-Schicht 102 in der Nachbarschaft eines Kollektorteils 132, eine Drainschicht 208 vom n&spplus;-Typ gebildet ist. Mit der Drainschicht 208 ist eine Drainelektrode 212 verbunden, die sich wiederum mit dem Hochspannungs-IGBT 100a zu einem externen Element, das in demselben Chip vorgesehen ist, verbindet.
Fig. 4 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis darstellt, in dem der Hochspannungs-IGBT 100a zusammen mit externen Elementen dargestellt ist. In Fig. 4 sind die externen Elemente ein MOSFET 220 vom n-Kanal-Typ, ein Kondensator 221 und eine erste und eine zweite Diode 222, 223, und die externen Elemente sind so montiert, um die Drainschicht 208 mit einem Kollektoranschluß 116 in einer Art und Weise eines Kurzschlußschaltkreises zu verbinden. In den externen Elementen ist der MOSFET 220 zwischen der Drainschicht 208 und dem Kollektoranschluß 116 so zwischengefügt, daß die Source mit dem Kollektoranschluß 116 verbunden ist, während der Kondensator 221 zwischen dem Gatter beziehungsweise Gate und dem Drain des MOSFET 220 verbunden ist. Und die erste Diode 222, um die Isolationsdestruktion des Kondensators 221 zu verhindern, ist parallel zu dem Kondensator 221 in einer solchen Art und Weise angeordnet, daß die Kathode davon mit dem Gate des MOSFET 220 verbunden ist. Auch ist die zweite Diode 223 zwischen dem Gate und der Source des MOSFET 220 in einer solchen Art und Weise zwischengefügt, daß die Kathode davon mit dem Gate des MOSFET 220 verbunden ist.
Als nächstes wird die Betriebsweise des Hochspannungs-IGBT 100a, der mit den externen Elementen verbunden ist, die in der vorstehenden Art und Weise aufgebaut sind, beschrieben werden. Die Betriebsweise des Hochspannungs-IGBT 100a in dem Einzustand davon ist im wesentlichen ähnlich zu derjenigen des Hochspannungs-IGBT 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und demzufolge wird die Beschreibung davon hier weggelassen. Der Hochspannungs-IGBT 100a ist dadurch charakterisiert, daß dann, wenn die Vorrichtung von ihrem Einzustand ausgehend abgeschaltet wird, indem der MOSFET 220 in den externen Elementen eingeschaltet wird, Minoritätsträger in der Well-Schicht 102, das bedeutet, positive Löcher schnell aus der Drainschicht 208 herausgezogen werden, um dadurch in der Lage zu sein, die Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung zu realisieren. Mit anderen Worten beträgt die Einschaltspannung des Hochspannungs-IGBT 100a ungefähr 10 V und der Hauptstrom davon fließt von dem Kollektoranschluß 116 (Kollektorschicht 107) durch parasitäre Widerstände 219, 217 und 216 jeweils, die in der Well-Schicht 102 vorgesehen sind, und dann durch den Kanal des MOSFET 131, und erreicht die Emitterschicht 105 (Emitteranschluß 114). Als Folge hiervon wird eine Spannung, die durch Subtrahieren der Vorwärtsspannung der zweiten Diode 223 von einer Spannung gleich zu den Spannungsabfällen an den parasitären Widerständen 219, 217 erhalten ist, zu dem Kondensator 221 zugeführt und darin gespeichert (ungefähr 5 V). Von diesem Zustand ausgehend wird, wenn das Element abgeschaltet wird, wenn der MOSFET 131 abgeschaltet wird, dann das Potential der Drainschicht 208 so angehoben, daß es gleich zu dem Kollektorpotential ist. Als Folge hiervon steigt, aufgrund davon, daß die elektrischen Ladungen des Kondensators 221, die davor bewahrt worden sind, daß sie durch die erste und die zweite Diode 222, 223 fließen, das Gate-Potential des MOSFET 220 höher als das Kollektorpotential, dienend als die Source, an, so daß der MOSFET 220 dazu gebracht wird, sich einzuschalten. Daraufhin werden, in dem Hochspannungs-IGBT 100a, die Drainschicht 208 und die Kollektorschicht 107 (Kollektoranschluß 116) miteinander in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden, so daß den Minoritätsträgern in der Well-Schicht 102 ermöglicht wird, schnell durch die Drainschicht 208 heraus zu dem Kollektoranschluß 116 hin zu fließen. Das bedeutet, daß es möglich ist, in einem großen Umfang eine Zeit zu reduzieren, die notwendig ist, um gespeicherte Träger herauszuführen, was die Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung realisieren kann.
Wie vorstehend erwähnt ist, ist der Hochspannungs-IGBT 100a dadurch gekennzeichnet, daß die Drainschicht 208 auf der Oberfläche der Well-Schicht 102 angrenzend an den Kollektorteil 132 (die Position der Drainschicht 208 hängt von einem Verhältnis zwischen den parasitären Widerständen 216, 217 in der Well-Schicht 102 ab) angeordnet ist, und daß die Drainschicht 208 mit dem Kollektoranschluß 116 durch die externen Elemente in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden ist. Deshalb können, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, die Minoritätsträger in der Well-Schicht 102 so gestaltet werden, daß sie schnell verschwinden, so daß die Umschaltung der Hochgeschwindigkeitsvorrichtung realisiert werden kann. Hierbei hängt, in den externen Elementen, ein Gate- Signal, um den MOSFET 220 zu steuern, der zwischen der Drainschicht 208 und dem Kollektoranschluß 116 zwischengefügt ist, um sie miteinander in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises zu verbinden, von den elektrischen Ladungen des Kondensators 221, der durch Kombinieren einer Vielzahl von Elementen zu einer Einheit gebildet ist, ab. Dies beseitigt das Erfordernis, Anschlüsse vorzusehen, um die externen Elemente zu steuern, so daß die Vorrichtung einfach ausgelegt beziehungsweise aufgebaut werden kann und demzufolge auch eine Verdrahtung vereinfacht werden kann.
In den externen Elementen dieser Ausführungsform ist es möglich, die Drainschicht 208 mit dem Kollektoranschluß 116 durch einen bipolaren Transistor anstelle des MOSFET 220 zu verbinden, und Fig. 5 stellt einen äquivalenten Schaltkreis der Modifikation dar. In Fig. 5 ist ein npn-Transistor 224 zwischen der Drainschicht 208 und dem Kollektoranschluß 116 so angeordnet, daß der Emitter des Transistors 224 mit dem Kollektoranschluß 116 verbunden ist. Demzufolge werden, wenn das Element abgeschaltet wird, elektrische Ladungen, die von dem Kondensator 221 freigegeben werden, ein Basisstrom des Transistors 224, und der Transistor 224 schaltet zu einem Sättigungszustand um, so daß die Drainschicht 208 mit dem Kollektoranschluß 116 in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden ist. Demzufolge können ähnliche Effekte zu solchen des Schaltkreises, der in Fig. 4 dargestellt ist, erhalten werden.
Fig. 6 stellt eine Schnittansicht dar, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100b zeigt. In dem Hochspannungs-IGBT 100b, dargestellt in Fig. 6, sind Teilen entsprechend solchen des Hochspannungs-IGBT 100a, dargestellt in Fig. 3, dieselben Bezeichnungen gegeben, und demzufolge wird eine Beschreibung davon hier weggelassen. Der Hochspannungs-IGBT 100b ist zu dem vorstehenden Hochspannungs-IGBT 100a dahingehend unterschiedlich, daß eine Drainschicht 208 vom n&spplus;-Typ angrenzend an die Basisschicht 106 des Kollektorteils 132 gebildet ist. In diesem Hochspannungs-IGBT 100b ist ebenso eine Drainelektrode 212 mit der Drainschicht 208 verbunden und demzufolge ist die Drainschicht 208 mit externen Elementen verbunden, die in demselben Chip vorgesehen sind. Nun ist Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm eines äquivalenten Schaltkreises, in dem der Hochspannungs-IGBT 100b zusammen mit externen Elementen dargestellt ist. In dem äquivalenten Schaltkreis, dargestellt in Fig. 7, sind Teile ähnlich zu solchen der äquivalenten Schaltkreise, jeweils dargestellt in den Fig. 4 und 5, mit denselben Bezeichnungen bezeichnet. Fig. 7 stellt die Strukturen der externen Elemente dar. Insbesondere ist die Ausführungsform dadurch charakterisiert, daß, zusätzlich zu dem MOSFET 220 vom n-Kanal-Typ, dem Kondensator 221 und der ersten und der zweiten Diode 222, 223, sie einen zweiten MOSFET 306 vom n-Kanal-Typ umfaßt, um durch dasselbe Gate-Signal wie der Hochspannungs-IGBT 100b gesteuert zu werden. Der zweite MOSFET 306 ist zwischen dem Emitteranschluß 114 und dem Kondensator 222 so angeordnet, daß die Source davon mit dem Emitteranschluß 114 verbunden ist. Auch ist das Gate des zweiten MOSFET 306 mit der Gateelektrode 125 mittels eines Metalldrahts verbunden, so daß dasselbe Signal wie das Gate-Signal des Hochspannungs-IGBT 100b angelegt wird. Ähnlich zu dem vorstehenden Hochspannungs-IGBT 100a können, in dem vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100b, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, die Minoritätsträger in der Well-Schicht 102 schnell von der Drainschicht 208 herausgezogen werden, um dadurch die Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung zu realisieren. Das bedeutet, daß, in dem vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100b, wenn eine Spannung gleich zu oder größer als ein Schwellwert an den Gate-Anschluß 115 angelegt wird, dann nicht nur der MOSFET 131, angeordnet auf der Seite des vorliegenden Hochspannungs-IGBT 100b, sondern auch der zweite MOSFET 306 eingeschaltet wird, so daß eine Spannung, die durch Subtrahieren der Vorwärtsspannung der zweiten Diode 223 von der Einschaltspannung des Hochspannungs-IGBT 100b erhalten ist, über den Kondensator 221 angelegt wird. Aus diesem Grund wird, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, falls ein Null-Potential oder ein Negativ-Potential in Bezug auf das Emitterpotential an den Gate- Anschluß 115 angelegt wird, dann der zweite MOSFET 306 abgeschaltet und das Drain des zweiten MOSFET 306 wird gleich zu dem Kollektorpotential, so daß der MOSFET 220 aufgrund der elektrischen Ladungen des Kondensators 221 eingeschaltet wird. Demzufolge wird die Drainschicht 208 mit der Kollektorschicht 107 (Kollektoranschluß 116) in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden, wodurch die Minoritätsträger in der Well- Schicht 102 so gestaltet werden können, um schnell zu verschwinden, und demzufolge kann die Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung realisiert werden.
Ähnlich zu dem vorstehenden Transistor kann, in den externen Elementen gemäß des vorliegenden Transistors ebenso, die Drainschicht 208 mit dem Kollektoranschluß 116 durch einen bipolaren Transistor nicht durch den MOSFET 220 verbunden werden, und ein äquivalenter Schaltkreis in dieser Modifikation ist in Fig. 8 dargestellt. In Fig. 8 ist ein npn-Transistor 224 zwischen der Drainschicht 208 und dem Kollektoranschluß 116 so zwi schengefügt, daß der Emitter davon mit dem Kollektoranschluß 116 verbunden ist. Wenn das Element abgeschaltet wird, können die Drainschicht 208 und der Kollektoranschluß 116 miteinander in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden werden, wodurch ein ähnlicher Effekt zu dem Schaltkreis, dargestellt in Fig. 7, erhalten werden kann.

[Ausführungsform 1]

Fig. 9 (a) zeigt eine Draufsicht der Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100c gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während Fig. 9 (b) eine Schnittansicht davon zeigt. In Fig. 9 (b) sind Teile ähnlich zu solchen des Hochspannungs-IGBT 100a, dargestellt in Fig. 3, mit denselben Bezeichnungen bezeichnet, und demzufolge wird eine Beschreibung davon hier weggelassen. Der Hochspannungs-IGBT 100c ist zu dem Hochspannungs-IGBT 100a, dargestellt in Fig. 3, dahingehend unterschiedlich, daß dabei externe Elemente in der Well-Schicht 102 angeordnet sind. Mit anderen Worten ist ein MOS-Teil 131 in einem Endbereich der Oberfläche der Well-Schicht 102, gebildet auf dem Halbleitersubstrat 101, gebildet, und eine Emitterelektrode 124 und eine Gateelektrode 125 sind in dem MOS-Teil 131 vorgesehen. Andererseits ist, auf dem anderen Endbereich davon, eine Basisschicht 106 vom n-Typ gebildet, und, innerhalb der Basisschicht 106, sind eine Kollektorschicht 107 und eine Well-Schicht 401 mittels zwei Well-Bereichen von p-Typ jeweils gebildet. Weiterhin sind, innerhalb der Kollektorschicht 107, eine Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ und eine Sourceschicht 104 vom n&spplus;-Typ, gebildet, und, innerhalb der Well-Schicht 401 ebenso, sind ähnlich eine Kontaktschicht 407 vom p&spplus;-Typ und eine Kontaktschicht 408 vom n&spplus;-Typ gebildet. Und dabei sind eine Basiskontaktschicht 109 vom n&spplus;-Typ zwischen der Kollektorschicht 107 und der Well-Schicht 401 gebildet. In dem Hochspannungs-IGBT 100c ist, auf den Oberflächen der Sourceschicht 404 vom n&spplus;-Typ, der Kollektorschicht 107 vom p-Typ und der Basisschicht 106 vom n-Typ, eine zweite Gateelektrode 409 durch einen gate-oxidierten Film 111 gebildet, der sich integral von einem Feld-oxidierten Film 112 aus erstreckt. Und die zweite Gateelektrode 409 ist so angeordnet, um sich über den gate-oxidierten Film 111 und den Feld-oxidierten Film 112 zu erstrecken. Auch ist, mit den Oberflächen der Sourceschicht 404 vom n&spplus;-Typ, der Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ, der Kollektorschicht 107, der Basisschicht 106, der Basiskontaktschicht 109, der Well-Schicht 401 und der Kontaktschicht 407 vom p&spplus;-Typ, eine Kollektorelektrode 126 verbunden. Weiterhin ist mit der Kontaktschicht 408 vom n&spplus;-Typ die zweite Gateelektrode 409 mittels eines Metalldrahts 414 verbunden, und eine Feldplatte 413 ist auch mit der zweiten Elektrode 409 verbunden. Aufgrund der Tatsache, daß der vorliegende Hochspannungs-IGBT 100c die vorstehend erwähnte Struktur besitzt, wie in Fig. 10 dargestellt ist, kann dabei ein Schaltkreis erhalten werden, der im wesentlichen ähnlich zu dem äquivalenten Schaltkreis, dargestellt in Fig. 4, ist. In dem äquivalenten Schaltkreis, dargestellt in Fig. 10, wird, obwohl dabei keine Schutzdiode zum Schutz des Kondensators 221 vorgesehen ist (die erste Diode 222, dargestellt in Fig. 4), niemals die Isolationszerstörung des oxidierten Films im Betrieb auftreten. Und in dem äquivalenten Schaftkreis, dargestellt in Fig. 10, sind Teile ähnlich zu solchen des äquivalenten Schaltkreises, dargestellt in Fig. 4, mit denselben Bezeichnungen bezeichnet. In den Fig. 9 und 10 kommuniziert die Sourceschicht 404 vom n&spplus;-Typ mit der Well-Schicht 102 (Basisschicht 106) mittels eines Kanals, der auf der Oberfläche der Kollektorschicht 107 unmittelbar unterhalb der zweiten Gateelektrode 409 gebildet ist, wodurch ein MOSFET 220 vom n-Kanal-Typ geschaffen wird. Auch wirken ein parasitärer Kondensator 410, der zwischen der zweiten Gateelektrode 409 und der Well-Schicht 102 gebildet ist, über den feld-oxidierten Film 112, und ein parasitärer Kondensator 411, gebildet zwischen der Feldplatte 413 und der Well-Schicht 102, über den Zwischenschichtisolationsfilm 113, beim Bilden des Kondensators 221 zusammen, und der pn-Übergang zwischen der Well-Schicht 401 vom p-Typ und der Kontaktschicht 408 vom n&spplus;-Typ wirken beim Bilden der Diode 223 zusammen. Wie vorstehend beschrieben ist, sind, in dem Hochspannungs-IGBT 100c, innerhalb der Basisschicht, der MOSFET 220 und die Diode 223 strukturell gebildet, und, gleichzeitig, ist der Kondensator 221 zwischen der Gateelektrode 409 des MOSFET 220 und der Well- Schicht 102 und zwischen der Feldplatte 413, verbunden mit der Gateelektrode 409, und der Well-Schicht 102, zwischengefügt, wodurch ein ähnlicher Schaltkreis zu dem Schaltkreis, äquivalent dargestellt in Fig. 4, realisiert werden kann. Deshalb kann dieser Hochspannungs-IGBT 100c einen ähnlichen Effekt liefern, und, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, kann er die Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung realisieren. Auch ist es nicht notwendig, einen Elementisolationsbereich vorzusehen, und die Well- Schicht 102 kann als Well-Schicht des MOSFET 220 und auch als ein einen Kondensator bildender Teil dienen, so daß der Flächenbereich der Vorrichtung reduziert werden kann. Und weiterhin wird, aufgrund der Tatsache, daß, durch Verbinden der Kollektorelektrode 126 in einer solchen Art und Weise, daß sie sich über die Oberflächen der Sourceschicht 404 vom n&spplus;-Typ, der Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ, die Kollektorschicht 107, die Basis schicht 108, die Basiskontaktschicht 109, die Well-Schicht 401 und die Kontaktschicht 407 vom p&spplus;-Typ erstreckt, dabei das Erfordernis beseitigt, einen Hochspannungsdraht unter den Kollektor des Hochspannungs-IGBT 100c, der Source des MOSFET 220 und der Anode der Diode 223 zu schaffen, wodurch es möglich ist, das Erniedrigen der Haltespannung aufgrund der Hochspannungsverdrahtung beim Integrieren des Hochspannungs- IGBT und des Umschaltelements in einem Chip zu verhindern, und demzufolge ist es auch möglich, die verbesserte Zuverlässigkeit der integrierten Schaltkreisvorrichtung zu realisieren.

[Ausführungsform 2]

Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100d, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, darstellt. In dem Hochspannungs-IGBT 100d, dargestellt in Fig. 11, sind Teile ähnlich zu solchen des Hochspannungs-IGBT 100c, dargestellt in Fig. 9, mit denselben Bezeichnungen bezeichnet, und demzufolge wird hier eine Beschreibung davon weggelassen. In Fig. 11 ist dieser Hochspannungs-IGBT 100d, ähnlich zu dem Hochspannungs-IGBT 100c gemäß der ersten Ausführungsform, dargestellt in Fig. 9, dadurch gekennzeichnet, daß die externen Elemente, die in der zweiten Ausführungsform eingesetzt sind, in der Well-Schicht 102 gebildet sind. Dies bedeutet, daß, in einem Endbereich der Oberfläche der Well- Schicht 102, gebildet auf dem Halbleitersubstrat 101, ein MOS-Teil 131 gebildet ist, in dem eine Emitterelektrode 124 und eine Gateelektrode 125 vorgesehen sind. Andererseits ist, in dem anderen Endbereich der Oberfläche, eine Basisschicht 106 vom n-Typ gebildet, in der eine Kontaktschicht 107 vom p-Typ und eine Basiskontaktschicht 109 vom n&spplus;-Typ vorgesehen sind. Innerhalb der Kontaktschicht 107 sind eine Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ und eine Emitterschicht 1004 vom n&spplus;-Typ in einer solchen Art und Weise gebildet, daß die jeweiligen Endbereiche davon miteinander überlappend sind, und weiterhin ist eine Kontaktschicht 1003 vom p&spplus;-Typ vorgesehen. In dem Hochspannungs-IGBT 100d ist, auf den Oberflächen der Basisschicht 106 vom n-Typ und der Well-Schicht 102, eine Kondensatorelektrode 1007 über einen gate-oxidierten Film 111, der sich integral von einem Feldoxidierten Film 112 aus erstreckt, vorgesehen, und die Kondensatorelektrode 1007 ist in einer solchen Art und Weise angeordnet, daß sie sich über den gate-oxidierten Film 111 zu dem Feld-oxidierten Film 112 erstreckt. Auch ist mit den Oberflächen der Emitterschicht 1004 vom n&spplus;-Typ, der Kontaktschicht 108 vom p&spplus;-Typ und der Kontaktschicht 109 vom n&spplus;- Typ, eine Kollektorelektrode 126 verbunden. Die Kontaktschicht 1003 vom p&spplus;-Typ ist mit der Kondensatorelektrode 1007 mittels eines Metalldrahts 1011 verbunden, während sich der Metalldraht 1011 durch einen Zwischenschichtisolationsfilm 1010 weit hoch zu dem oberen Bereich der Well-Schicht 102 erstreckt.
Fig. 12 stellt einen äquivalenten Schaltkreis des Hochspannungs-IGBT 100d dar. In Fig. 12 besteht ein Transistor 1106 vom npn-Typ, der dazu verwendet wird, Minoritätsträger in der Well-Schicht 102 herauszuziehen, wenn der Hochspannungs-IGBT 100d abgeschaltet ist, aus der Emitterschicht 1004 vom n&spplus;-Typ, der Kollektorschicht 107 und der Well-Schicht 102 (Basisschicht 106). Der Kondensator 1107 besteht aus drei parasitären Kondensatoren, das bedeutet einem ersten, parasitären Kondensator, der zwischen der Kondensatorelektrode 1007 und der Well-Schicht 102 über den gate-oxidierten Film 111 gebildet ist, einem zweiten, parasitären Kondensator, der zwischen der Kondensatorelektrode 1007 und der Well-Schicht 102 über den feld-oxidierten Film 112 gebildet ist, und einem dritten, parasitären Kondensator, der zwischen dem Metalldraht 1011 und der Well-Schicht 102 über den Zwischenschichtisolationsfilm 1010 gebildet ist.
In dem Hochspannungs-IGBT 100d, der die vorstehend erwähnte Struktur besitzt, fließt, wenn er eingeschaltet ist, ein Hauptstrom von dem Kollektoranschluß 116 (Kollektorschicht 107) über die parasitären Widerstände 219, 217 und 216 und den Kanal des MOSFET 131 zu der Emitterschicht 105 (Emitteranschluß 114). Als Folge hiervon wird eine Spannung, die durch Subtrahieren einer Spannung, produziert in einem parasitären Widerstand 1102, von einer Spannung, produziert in den parasitären Widerständen 219, 217, erhalten ist, an den Kondensator 1107 angelegt. Wenn das Element aus diesem Zustand abgeschaltet wird, falls der MOSFET 131 abgeschaltet wird, dann wird das Potential eines Knotens 1109 gleich zu dem Kollektorpotential, und, aus diesem Grund, liefern die elektrischen Ladungen, die von dem Kondensator 1107 freigegeben werden, den Basisstrom des Transistors 1106, so daß der Transistor 1106 in seinen Sättigungszustand versetzt wird. Dementsprechend wird ein Knoten 1110 mit dem Kollektoranschluß 116 in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises verbunden, um dadurch zu bewirken, daß die Minoritätsträger in der Well-Schicht 102 schnell zu dem Kollektoranschluß 116 herausfließen werden. Dies macht es möglich, stark eine Zeit zu reduzieren, die notwendig ist, um die gespeicherten Träger herauszubringen, was zu der Hochgeschwindigkeitsumschaltung der Vorrichtung führt. Auch können in dem Hochspannungs-IGBT 100d, aufgrund der Tat sache, daß der Transistor 1106 und der Kondensator 1107 strukturell in der Well-Schicht 102 gebildet sind und dabei auch das Erfordernis eliminiert ist, die Hochspannungsverdrahtung vorzusehen, ähnlich zu dem Hochspannungs-IGBT 100c gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, eine kompakte Struktur und eine hohe Zuverlässigkeit gleichzeitig realisiert werden, wenn er als ein Chip aufgebaut wird.

[Ausführungsform 3]

Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100e, aufgebaut gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt, und
Fig. 14 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis davon darstellt. In dem Hochspannungs-IGBT 100e dieser Ausführungsform ist der äquivalente Schaltkreis davon derselbe wie der äquivalente Schaltkreis gemäß der dritten Ausführungsform, dargestellt in Fig. 7. Der Hochspannungs-IGBT 100e ist dadurch charakterisiert, daß der äquivalente Schaltkreis äquivalent mit drei Well-Bereichen vom n-Typ, jeweils gebildet auf der Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats 101, erhalten wird. Dies bedeutet, daß, in einer ersten Well-Schicht 601 von den drei Well-Bereichen vom n-Typ, gebildet auf der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 101, ein IGBT gebildet ist, der einen Hauptkanal für eine Stromansteuerung liefert. In einem Endbereich der Well-Schicht 601 ist ein MOS- Teil 131 gebildet, während in einer Basisschicht 604 vom n-Typ, gebildet in dem anderen Endbereich davon, eine Kollektorschicht 605 vom p-Typ und eine Basisschicht 606 vom p- Typ gebildet sind. Weiterhin sind in der Kollektorschicht 605, eine Kontaktschicht 607 vom p&spplus;-Typ und eine Sourceschicht 626 vom n&spplus;-Typ gebildet, während in der Basisschicht 606 eine Basiskontaktschicht 609 vom p&spplus;-Typ und eine Kontaktschicht 610 vom n&spplus;-Typ gebildet sind. Und eine Basiskontaktschicht 608 vom n&spplus;-Typ ist zwischen der Kollektorschicht 605 und der Basisschicht 606 gebildet. In Fig. 13 kommuniziert die Sourceschicht 626 vom n&spplus;-Typ mit der Well-Schicht 601 (Basisschicht 604) durch einen Kanal, der auf der Oberfläche der Kollektorschicht 60 unmittelbar unterhalb der Gateelektrode 623 gebildet ist, um dadurch einen n-Kanal-MOSFET 220 zu bilden.
Andererseits sind, in der zweiten Well-Schicht 602, ein Kondensator 221, der als eine Ansteuersource des MOSFET 220 vom Kanal-Typ dient, strukturell in der ersten Well-Schicht 601 gebildet, und eine Diode 220, die zum Schutz des Kondensators 221 verwendet ist, vorgesehen. Das bedeutet, daß, in einer Basisschicht 611 vom n-Typ, gebildet innerhalb der Well-Schicht 602, eine Basisschicht 612 vom p-Typ und zwei Basiskontaktschichten 613, 616 vom n&spplus;-Typ gebildet sind. Weiterhin sind in der Basisschicht 612 eine Basiskontaktschicht 614 vom p&spplus;-Typ und eine Kontaktschicht 615 vom n&spplus;-Typ gebildet. Hierbei kann, da eine Kondensatorelektrode 624, die auf der Oberfläche der Basisschicht 611 vorgesehen werden soll, durch einen Dünnfilm mit einigen 108 m (einigen hundert Å) äquivalent zu dem gate-oxidierten Film vorgesehen ist, der Kondensatorflächenbereich reduziert werden.
Auch ist, in einer dritten Well-Schicht 603, ein Hochspannungs-MOSFET 306 vom n- Kanal-Typ gebildet, dessen Haltespannung dieselbe wie für den IGBT ist, der in der ersten Well-Schicht 601 gebildet ist. Das bedeutet, daß, in der Well-Schicht 603, eine Basisschicht 617 vom n-Typ und eine Basisschicht 619 vom p-Typ gebildet sind. Weiterhin ist in der Basisschicht 617 vom n-Typ eine Basiskontaktschicht 618 vom n&spplus;-Typ gebildet, während in der Basisschicht 619 vom p-Typ eine Basiskontaktschicht 621 vom p&spplus;-Typ und eine Sourceschicht 620 vom n&spplus;-Typ gebildet sind.
In den jeweiligen Halbleiterbereichen, die in den Well-Schichten, auf den Oberflächen der Emitterschicht 105, der Basisschicht 103 und der Well-Schicht 601, gebildet sind, ist eine erste Gateelektrode 125 vorgesehen, und, auf den Oberflächen der Sourceschicht 620, der Basisschicht 619 und der Well-Schicht 603, ist eine zweite Gateelektrode 625 vorgesehen. Diese Gateelektroden 125, 625 sind mit dem Gate-Anschluß 115 verbunden. Auch ist auf den Oberflächen der Sourceschicht 626, der Basisschicht 605, der Basisschicht 604 und der Well-Schicht 601 eine dritte Elektrode 623 vorgesehen, und, auf der Oberfläche der Basisschicht 611, ist eine Kondensatorelektrode 624 vorgesehen. Diese Elektroden sind mit der Kontaktschicht 610 und der Kontaktschicht 615 verbunden. Auch sind die Basiskontaktschicht 104, die Emitterschicht 105, die Basiskontaktschicht 621 und die Sourceschicht 620 jeweils mit dem Emitteranschluß 114 durch eine Metallverdrahtung verbunden. Die Sourceschicht 626, die Kontaktschicht 607, die Basiskontaktschicht 608 und die Basiskontaktschicht 609 sind jeweils mit dem Kollektoranschluß 616 verbunden. Die Basiskontaktschicht 613 ist mit der Basiskontaktschicht 614, einen Kurzschlußschaltkreis bildend, verbunden und auch ist die Basiskontaktschicht 616 mit der Basiskontaktschicht 618 einen Kurzschlußschaltkreis bildend verbunden.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird, in dem Hochspannungs-IGBT 100e, aufgrund der Tatsache, daß die drei Well-Schichten 601, 602 und 603 angrenzend aneinander auf der Oberflächenseite des Halbleitersubstrats 101 gebildet sind, und die MOSFETs 220, 223, der Kondensator 221 und die Dioden 222, 223 strukturell in diesen Well-Schichten gebildet sind, dort ein äquivalent realisierter Schaltkreis ähnlich zu dem Schaltkreis, der in Fig. 7 dargestellt ist, realisiert. Deshalb kann dort ein ähnlicher Effekt erzielt werden und demzufolge kann, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, ein Hochgeschwindigkeitsumschaltvorgang realisiert werden. Auch können, da nur die Potentialdifferenz von ungefähr 10 V zwischen den jeweiligen Well-Bereichen produziert wird, die Well-Bereiche angrenzend aneinander unter solchen Intervallen gebildet werden, daß sie nicht in Kontakt miteinander treten, mit der Folge, daß der Vorrichtungsbereich verringert werden kann. Und da Elemente, die in der zweiten und der dritten Well-Schicht 602, 603 gebildet werden sollen, Elemente in der zweiten und der dritten Well-Schicht 602 und 603 Elemente zum Ansteuern des MOSFET 220 sind, die in der ersten Well-Schicht 601 gebildet sind, kann den Elementenflächenbereich der ersten Well-Schicht 601 kleiner gemacht werden als der Elementenflächenbereich der ersten Well-Schicht (ungefähr 1/10). Aus diesem Grund wird, beim Erhöhen der Vorrichtungsumschaltcharakteristik, gerade wenn ein Schaltkreis, der aus der zweiten und der dritten Well-Schicht 602 und 603 aufgebaut ist, hinzugefügt wird, der gesamte Flächenbereich nicht in einem großen Umfang erhöht werden. Weiterhin ist, da der Hochspannungs-IGBT 100e drei Ausgangsanschlüsse ähnlich zu einem einzelnen IGBT hat, das Design der Vorrichtung einfach und die Verdrahtung kann auch vereinfacht werden.

[Ausführungsform 4]

Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT 100f gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und Fig. 16 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis davon. In dem Hochspannungs-IGBT 100f, dargestellt in Fig. 15, sind Teile ähnlich zu solchen des Hochspannungs-IGBT 100e, dargestellt in Fig. 13, mit denselben Bezeichnungen bezeichnet, und demzufolge wird die Beschreibung davon hier weggelassen. Der Hochspannungs-IGBT 100f ist von dem Hochspannungs-IGBT 100e dahingehend unterschiedlich, daß ein Umschaltelement, das dazu verwendet wird, Minoritätsträger abzuziehen, die in der ersten Well-Schicht 601 erzeugt sind, als ein npn- Transistor 224 gebildet ist. Das bedeutet, daß, in dem Hochspannungs-IGBT 100f, in einer Basisschicht 604 vom n-Typ, die in dem anderen Endbereich der ersten Well-Schicht 601 gebildet ist, eine Kollektorschicht 605 vom p-Typ und eine Basiskontaktschicht 608 vom n&spplus;-Typ gebildet sind. In der Kollektorschicht 605 sind zwei Kontaktschichten 1207, 1209 vom p&spplus;-Typ und eine Emitterschicht 1208 vom n&spplus;-Typ gebildet. Die Emitterschicht 1208, die Kollektorschicht 605 und die Well-Schicht 601 wirken beim Bilden des npn-Transistors 224 zusammen.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird, in dem Hochspannungs-IGBT 100f dieser Ausführungsform, wenn das Element eingeschaltet wird, eine Spannung, die durch Subtrahieren des Spannungsabfalls eines parasitären Widerstands 704 von der Einschaltspannung des Hochspannungs-IGBT 100f erhalten wird, über einen Kondensator 221 angelegt. Und, wenn die Vorrichtung zu deren Aus-Zustand hin geändert wird, werden die MOSFETs 131 und 306 abgeschaltet und demzufolge werden die Knoten 1310 und 1312 gleich zu dem Kollektorpotential, was dazu führt, daß elektrische Ladungen, die in dem Kondensator 221 gespeichert sind, der Basisstrom des npn-Transistors 224 werden und der Transistor 224 eingeschaltet wird. Demzufolge wird der Transistor 224 gesättigt und ist nun in der Lage, den Knoten 1312 mit dem Kollektoranschluß 116 in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises zu verbinden, so daß ein Hochgeschwindigkeits-Umschaltvorgang realisiert werden kann. Auch beträgt, in dem Hochspannungs-IGBT 100f ebenso, eine Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen Well-Bereichen ungefähr 10 V, und deshalb kann, ähnlich zu dem Hochspannungs-IGBT 100e gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, die Vorrichtungscharakteristik ohne Vergrößern des Vorrichtungsflächenbereichs in einem großen Umfang erhöht werden. Weiterhin kann, in der kombinierten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Stromverstärkungsrate (hfe) des Transistors 224 in dem Bereich von ungefähr 10 bis 50 eingestellt werden, so daß die elektrischen Ladungen, die in dem Kondensator 221 gespeichert werden sollen, 1/hfe der gesamten Menge der Minoritätsträger sein können, um in der Well-Schicht 102 gespeichert zu werden. Aus diesem Grund wird dort das Erfordernis für einen großen Kondensatorflächenbereich beseitigt, was es möglich macht, den Flächenbereich zu reduzieren, der durch die zweite und die dritte Well-Schicht 602 und 603 belegt wird. Das bedeutet, daß die kombinierte Vorrichtung in der Größe reduziert werden kann.

[Ausführungsform 5]

Als nächstes wird in einem Hochspannungsausgangselement, wie beispielsweise die vorstehend erwähnten Hochspannungs-IGBTs, und dergleichen, ein Verfahren zum Abgreifen eines Hochspannungsausgangs beschrieben werden.
Fig. 17 (a) zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines Hochspannungs-MOSFET gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt, und Fig. 17 (b) zeigt eine Draufsicht davon. In diesen Figuren ist eine Well-Schicht 1402 vom n-Typ auf der Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats 1401 vom p-Typ gebildet und umfaßt in einem Endbereich davon eine Basisschicht 1403 vom p-Typ und eine Drainschicht 1407. Und in der Basisschicht 1403 sind eine Basiskontaktschicht 1415 vom p&spplus;-Typ und eine Sourceschicht 1404 vom n&spplus;-Typ gebildet. Eine Gateelektrode 1405 ist durch einen gate-oxidierten Film auf den Oberflächen des Endbereichs der Sourceschicht 1404, der Basisschicht 1403 und der Well-Schicht 1402 gebildet. Auch ist eine Eingangselektrode (Sourceelektrode) 1411 mit der Basiskontaktschicht 1415 und der Sourceschicht 1404 verbunden, während eine Ausgangsanschlußfläche (Drainelektrode) 1409 mit der Ausgangsschicht 1407, wie zum Beispiel ein Kollektorteil 132, verbunden ist. Wenn der Hochspannungs-MOSFET in einer Ebene betrachtet wird, ist die Ausgangsanschlußfläche 1409 in dem zentralen Bereich des MOSFET angeordnet, und, außerhalb der Ausgangsanschlußfläche 1409, sind die Ausgangsschicht 1407, der Hochwiderstandsbereich 1408 und die Gateelektrode 1405 und die Eingangselektrode 1411 unter im wesentlichen gleichen Abständen in dieser Reihenfolge angeordnet. Auch sind, für eine Schnittstelle zu externen Schaltkreisen, eine Eingangsverdrahtung 1412, um mit der Eingangselektrode 1411 verbunden zu werden, und eine Gate-Verdrahtung 1413, um mit der Gateelektrode 1405 verbunden zu werden, vorgesehen. Dieser Hochspannungs-MOSFET ist an einer Position angrenzend an ein Chip- Ende 1414 angeordnet und die Ausgangsanschlußfläche 1409 ist mit einem Leiterrahmen über einen Luftdraht mittels einer Drahtverbindung verbunden. Wenn ein reiner Chip, wie beispielsweise ein nicht adressierbarer Speicher bzw. Bump, tatsächlich montiert wird, ist es nicht immer notwendig, den MOSFET an dem Chip-Ende anzuordnen.
In dem Hochspannungs-MOSFET, der die vorstehende Struktur besitzt, kann, da eine Hochspannungsausgangsverdrahtung von der Ausgangsanschlußfläche 1409 die Gateelektrode 1405 und die Eingangselektrode 1411 unter einem ausreichenden Abstand von einigen mm schneidet, die Konzentration des elektrischen Felds aufgrund der Hochspannungsausgangsverdrahtung gelockert werden, um dadurch die Verschlechterung der Vorrichtungsspannungsstandhaftigkeit zu verhindern, so daß dabei eine Vorrichtung mit einer hohen Zuverlässigkeit geschaffen werden kann. Auch beseitigt die Verwendung des Luftdrahts für die Hochspannungsausgangsverdrahtung das Erfordernis nach einer hohen Spannungsausgangsverdrahtungsbeabstandung auf der Elementenoberfläche, um dadurch in der Lage zu sein, den Vorrichtungsflächenbereich zu reduzieren, so daß die gesamte Vorrichtung in der Größe reduziert werden kann.
In der ebenen Struktur des Hochspannungs-MOSFET, neben der Struktur, die in der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, kann eine andere Struktur eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eine konzentrische Struktur eingesetzt werden und die Gateelektrode und die Eingangselektrode können in der Verzahnung eines Kamms gebildet sein.

[Ausführungsform 6]

Fig. 18 zeigt eine Draufsicht, die die Struktur eines Hochspannungs-IGBT darstellt. Hierbei besitzt dieser Hochspannungs-IGBT dieselbe, schnittmäßige Struktur wie der Hochspannungs-IGBT, der in Fig. 13 dargestellt ist. In Fig. 18 ist der Hochspannungs-IGBT eine kombinierte Vorrichtung, die aus drei Well-Bereichen vom n-Typ zusammengesetzt ist. Insbesondere ist eine Ausgangsanschlußfläche 1504 in dem zentralen Bereich der Vorrichtung angeordnet, eine zweite Well-Schicht 602 ist um die Ausgangsanschlußfläche 1504 herum gebildet und eine erste Well-Schicht 601 ist um die zweite Well-Schicht 602 herum, unter nahezu gleichen Abständen, gebildet. Und in der Well-Schicht 601 ist eine dritte Well-Schicht 603 in einer Art und Weise einer Elementenisolation gebildet. In der ersten Well-Schicht 601 sind, da ein Hochspannungs-IGBT, der in der Well-Schicht 601 gebildet ist, einen Spannungswiderstand von 200 bis 1200 V erfordert, ein Emitterbereich 1511 und ein Kollektorbereich 1509 mit einem Hochwiderstandsbereich 1505 in der Well- Schicht 601 dazwischen positioniert, so daß die erforderliche Spannungswiderstandsfähigkeit sichergestellt werden kann. Auch sind in der dritten Well-Schicht 603, um in der Lage zu sein, die Spannungswiderstandsfähigkeit eines Hochspannungs-MOSFET, der in der Well-Schicht 603 gebildet ist, sicherzustellen, ein Sourcebereich 1512 und ein Drainbereich 1510 mit einem Hochwiderstandsbereich 1506 in der Well-Schicht 603 dazwischen angeordnet. Hierbei ist das Element, das in der zweiten Well-Schicht 602 gebildet ist, in einem zusätzlichen Schaltkreisbereich 1508, vorgesehen in der Peripherie der Ausgangsanschlußfläche 1504, positioniert, wobei der Wert, den es im Hinblick auf ein Potential annehmen kann, gleich zu der Ausgangsanschlußfläche 1504, dem Kollektorbereich 1509 und dem Drainbereich 1510 ist, und die Potentialdifferenz davon beträgt ungefähr 10 V. Deshalb wird das Element auf der Seite der Ausgangsanschlußfläche 1504 in Bezug auf die Hochwiderstandsbereiche 1505, 1506 der kombinierten Vorrichtung gebildet.
Obwohl es nicht in dieser Ausführungsform dargestellt ist, wird, wenn als ein kombiniertes Element ein Element eingesetzt wird, das in der Lage ist, ein Potential in der Nachbarschaft des Potentials des Emitterbereichs 1511, des Sourcebereichs 1512 oder des Gate- Bereichs 1507 anzunehmen, eine Well-Schicht auf der lateralen Seite (auf der Seite des Emitters und der Source) in Bezug auf die Hochwiderstandsbereiche 1505, 1506 gebildet, und ein Element ist innerhalb der Well-Schicht angeordnet.
In diesem Hochspannungs-IGBT, der die vorstehend erwähnte, ebene Struktur besitzt, ähnlich zu dem Hochspannungs-MOSFET gemäß der fünften Ausführungsform, kann die Ausgangsanschlußfläche 1504, angeordnet in dem zentralen Bereich des Elements, direkt mit dem Package-Anschluß durch einen Luftdraht mittels einer Drahtverbindung verbunden werden, um dadurch das Erfordernis zu beseitigen, daß sich der Hochspannungsdraht über die Hochwiderstandsbereiche 1505, 1506 erstreckt, so daß die Verschlechterung der Spannungsstandhaftigkeit, die durch den Hochspannungsdraht verursacht wird, verhindert werden kann. Demgemäß ist es möglich, die Zuverlässigkeit des Elemententeils mit hohem Ausgang sicherzustellen, was einen großen Einfluß auf den Steuerschaltkreisteil hat, was es wiederum möglich macht, die Zuverlässigkeit einer integrierten Schaltkreisvorrichtung unter Verwendung dieses Hochspannungs-MIS-Transistors zu erhöhen.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird, in dem Hochspannungs-MIS-Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung, da der Well-Bereich davon durch den Schritt eines Injizierens von Ionen von der Oberflächenseite aus des Halbleitersubstrats und durch den thermischen Diffusionsschritt, der nach dem Ioneninjektionsschritt durchgeführt wird, gebildet ist, das Erfordernis für Schritte eliminiert, wie beispielsweise einen Schritt zum Bilden der beerdigten Schicht, einen epitaxialen Wachstumsschritt, und dergleichen. Deshalb kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, beim Integrieren des Hochspannungsausgangselemententeils, der hauptsächlich aus dem Hochspannungs-MIS-Transistor und dem Steuerschaltkreisteil, wie beispielsweise einem CMOS, besteht, in dasselbe Substrat, da der Hochspannungsausgangselemententeil durch denselben Schritt wie der Steuerschaltkreisteil gebildet werden kann, die Anzahl von Herstellschritten verringert werden und demzufolge kann die integrierte Schaltkreisvorrichtung unter niedrigen Kosten geliefert werden. Auch kann, da dabei das Erfordernis für die Vorsehung einer Isolationsdiffusionsschicht eliminiert wird, der Vorrichtungsflächenbereich verringert werden. Und das Element kann, da die Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats niedriger als die Störstellenkonzentration des Well-Bereichs eingestellt werden kann, ein Bereich, in dem sich eine Verarmungsschicht ausbreitet, wenn eine umgekehrte Vorspannungspannung angelegt wird, auf der Seite des Halbleitersubstrats sichergestellt werden, so daß die Spannungsblockierfähigkeit des Elements verstärkt werden kann, das bedeutet, das Element kann eine Hochspannungsblockierfähigkeit erzielen. Gleichzeitig kann, da die Störstellenkonzentration des Well-Bereichs auf ein relativ hohes Niveau eingestellt werden kann, der Widerstand des Hauptstromdurchgangs reduziert werden, was es möglich macht, den niedrigen Einschaltwiderstand mit dem Hochspannungswiderstand kompatibel zu gestalten.
Und in dem vorliegenden Hochspannungs-MIS-Transistor ist es, aufgrund der Tatsache, daß ein Umschaltelement, das zum Verbinden des Kollektors und der Basis des Hauptstromkanals in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises in der Lage ist, durch Kombinieren einer Vielzahl von Elementen realisiert ist, um dadurch in der Lage zu sein, schnell Minoritätsträger, die in dem Well-Bereich gespeichert sind, zu der Emitterseite hin herauszuziehen, wenn das Element abgeschaltet wird, möglich, stark eine Zeit zu reduzieren, die notwendig ist, um die gespeicherten Träger herauszubringen, so daß der Vorrichtung ermöglicht wird, einen Hochgeschwindigkeitsumschaltvorgang durchzuführen.
Weiterhin wird, wenn eine im wesentlichen konzentrische Struktur als die ebene Struktur einer Halbleitervorrichtung, umfassend einen solchen Hochspannungs-MIS-Transistor, durch Vorsehen einer Hochspannungsausgangsverdrahtung von dem zentralen Bereich des Elements des Package-Anschlusses durch Verwendung eines Luftdrahts eingesetzt wird, das Erfordernis beseitigt, den Hochspannungsausgangsdraht entlang des Elements zu erstrecken, was das Auftreten einer elektrischen Feldkonzentration aufgrund der Hochspannungsausgangsverdrahtung verhindern kann, um dadurch die Zuverlässigkeit der Spannungswiderstandsfähigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Dies bedeutet, daß dabei die Zuverlässigkeit des MIS-Teils, das einen großen Einfluß auf den Steuerschaltkreisteil besitzt, sichergestellt werden kann. Demgemäß kann die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltkreisvorrichtung unter Verwendung des vorliegenden Hochspannungs-MIS- Transistors verbessert werden.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, die einen hochspannungsisolierten Gate-Bipolar-Transistor umfaßt, die aufweist:

einen Well-Bereich (102, 1402) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, gebildet in einer Oberflächenseite eines Halbleitersubstrats (101, 1401) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

einen MIS-Teil (131), der eine Basisschicht (103, 1403) eines ersten Leitfähigkeitstyps, gebildet in einem peripheren Bereich des Well-Bereichs, eine Emitterschicht (105, 1404, 1511) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, gebildet in der Basisschicht, und eine Gateelektrode (125, 1405), angeordnet so, um sich von der Emitterschicht zu der Mitte des Well-Bereichs auf der Oberseite eines Isolations-Gate-Films (110, 112), gebildet auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, zu erstrecken, umfaßt, und

einen Kollektorteil (132), der eine Basisschicht (106) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, gebildet in einem peripheren Bereich des Well-Bereichs und gegenüberliegend zu dem MIS- Teil und eine Kollektorschicht (107) eines ersten Leitfähigkeitstyps, gebildet in der Basisschicht (106) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, umfaßt

gekennzeichnet dadurch,

daß der MIS-Teil (131) weiterhin eine Basiskontaktschicht (104, 1415) eines ersten Leitfähigkeitstyps umfaßt, die in der Basisschicht (103, 1403) eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, und die mit der Emitterschicht (105, 1404) so verbunden ist, um dasselbe Potential zu haben, wobei dies das Emitterpotential ist;

daß der Kollektorteil (132, 1509) weiterhin eine Hochkonzentrations-Kontaktschicht (108) eines ersten Leitfähigkeitstyps, die in der Kollektorschicht (107) gebildet ist, umfaßt;

wobei ein Hochkonzentrations-Halbleiterbereich (404) eines zweiten Leitfähigkeitstyps als ein Ladungsträger-Injektionsbereich eines Schaltelements (220, 224, 1106) dient, das auf das Halbleitersubstrat hinzugefügt ist und in der Lage ist, den Well-Bereich (102) mit der Kollektorschicht (107) jeweils in einer Art eines Kurzschlußschaltkreises zu verbinden, wobei die Hochkonzentrations-Kontaktschicht (108) und der Hochkonzentrations- Halbleiterbereich (404) beide in der Kollektorschicht (107) gebildet sind und miteinander so verbunden sind, um dasselbe Potential zu haben, wobei dies das Kollektorpotential ist; und

daß ein Kondensator (221, 410, 411) integral auf dem Halbleitersubstrat, verbunden mit der Treibersource des Schaltelements (220, 224), gebildet ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement ein MISFET ist und die Treibersource ein Gate des MISFET ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement ein bipolarer Transistor (1106) ist und wobei die Treibersource eine Basis des bipolaren Transistors (1106) ist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kollektorteil (1407, 1509) ringförmig ist und einen Mittenbereich des isolierten Gate-Bipolar-Transistors umgibt, ein Bereich eines Hochwiderstands-Well-Bereichs (1408, 1505, 1506) die Kollektorschicht umgibt und die Emitterschicht (1404, 1511) im wesentlichen konzentrisch zu dem Bereich des Hochwiderstands-Well-Bereichs (1408, 1505, 1506) gebildet ist und diesen umgibt.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, die eine Vielzahl von isolierten Halbleiter-Well- Bereichen (601, 602, 603) aufweist, wodurch die Kollektorbereiche (1509, 1510) der isolierten Halbleiter-Well-Bereiche in einem zentralen Bereich der Vorrichtung angeordnet sind, während die Emitterbereiche (1511, 1512) der isolierten Halbleiter-Well-Bereiche in einem umfangsmäßigen Bereich der Vorrichtung angeordnet sind.