DE19811297B4

DE19811297B4 - MOS-Halbleitervorrichtung mit hoher Durchbruchspannung

Info

Publication number: DE19811297B4
Application number: DE19811297A
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Fujihara; Takeyoshi Nishimura; Takashi Kobayashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: US6246092B1; US6548865B2; DE19811297A1; US20010009287A1

Abstract

MOS-Halbleitervorrichtung mit
einer ersten MOS-Halbleiteranordnung (1), die eine Sourceelektrode (S), eine Drainelektrode (D) und eine Gateelektrode (G) enthält, und
einer Mehrzahl von Zenerdioden (5), die in Reihe geschaltet sind und die zwischen der Sourceelektrode (S) der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) und deren Gateelektrode (G) angeordnet sind, und
eine zweite MOS-Halbleiteranordnung (2), die zusammen mit der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) den gleichen Aufbau wie die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) besitzt und eine Sourceelektrode und eine Gateelektrode enthält, wobei die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) und die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) eine gemeinsame Drainelektrode (D) aufweisen, die Gateelektrode der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) und die gemeinsame Drainelektrode (D) kurzgeschlossen sind, die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) für einen ersten Strom und die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) für einen zweiten Strom, der kleiner ist als der erste Strom, ausgelegt sind, und eine Reihenschaltung aus mehreren Paaren von Zenerdioden...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung des MOS-Typs, beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor (im folgenden auch kurz als "MOSFET" bezeichnet) oder einen bipolaren Thyristor mit isoliertem Gate (häufig auch als "IGBT" = "Insulated Gate Bipolar Transistor (oder Thyristor)" bezeichnet), bei der eine Mehrzahl von Sourcezonen, die Gates mit einem Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau (MOS-Aufbau) aufweisen, separat in einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats ausgebildet sind.
Wenn z. B. eine MOS-Halbleitervorrichtung in Form eines MOSFET hergestellt werden soll, werden beispielsweise Basiszonen des Leitungstyps p dadurch ausgebildet, daß Dotiermaterial in ausgewählte Flächen einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats des Leitungstyps n derart eindiffundiert wird, daß die gebildeten pn-Übergänge an der Oberfläche des Substrats freiliegen, und es werden in gleichartiger Weise Sourcezonen des Leitungstyps n in Oberflächenschichten der Basiszonen des Leitungstyps p ausgebildet. Anschließend wird eine Gateelektrodenschicht auf einem isolierenden Film oberhalb der Oberflächen von Kanalzonen erzeugt, die durch diejenigen Oberflächenschichten der Basiszonen des Leitungstyps p gebildet sind, die jeweils zwischen der benachbarten Sourcezone des Leitungstyps n und dem Halbleiterbausubstrat des Leitungstyps n eingefügt sind. Ferner wird eine Sourceelektrode so ausgebildet, daß sie sowohl mit den Basiszonen des Leitungstyps p als auch mit den Sourcezonen des Leitungstyps n in Kontakt steht. Eine Drainelektrode wird auf der anderen Oberfläche des Halbleiterbauelements des Leitungstyps n ausgebildet. Wenn eine geeignete Spannung an die Gateelektrode angelegt wird, tritt eine Inversionsschicht in jeder Kanalzone auf, wodurch der Widerstandswert zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode verringert wird, so daß ein Strom zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode durch die Inversionsschicht hindurch fließen kann.
Zur Herstellung eines IGBT, der eine weitere Ausführungsform einer MOS-Halbleitervorrichtung darstellt, wird eine zusätzliche Zone des Leitungstyps p auf derjenigen Seite des MOSFETs gebildet, auf der die Drainelektrode ausgebildet ist. Aufgrund dieser hinzugefügten Zone des Leitungstyps p ist der bipolare IGBT imstande, die Leitfähigkeit durch Ausnutzung der Injektion von Minoritätsladungsträgern von der Zone des Leitungstyps p zu modulieren.
Die vorstehend erläuterte MOS-Halbleitervorrichtung wird in großem Umfang als eine Schaltschaltung bzw. als ein als Schalter dienender Schaltkreis eingesetzt, da die Einrichtung einen geringen Widerstandswert im Einschaltzustand und hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und leicht durch Spannung gesteuert werden kann.
In den letzten Jahren hat sich jedoch die Gefahr erhöht, daß bei einer MOS-Halbleitervorrichtung, die als ein Schaltelement in einer Schaltschaltung eingesetzt wird, Stoßspannungen auftreten können, die z. B. aufgrund einer vereinfachten Ausgestaltung der Schaltschaltung, bei der beispielsweise keine Snubber-Schaltung vorgesehen ist, oder aufgrund einer Verringerung der Größe der Halbleitervorrichtung hervorgerufen werden können. Bei einer Schaltung, bei der beispielsweise ein induktiver Laststrom abzuschalten ist, erhöht sich die Spannung, die an der MOS-Halbleitervorrichtung auftritt, aufgrund der in einer Induktivität gespeicherten Energie. Die auftretende Spannung kann dabei in manchen Fällen sogar höher sein als die Versorgungsspannung. Diese übermäßige Spannungsbeaufschlagung kann einen Durchbruch der MOS-Halbleitervorrichtung hervorrufen. Aus diesem Grund ist es erwünscht, die Durchbruchspannung (Lawinenstrom) der Halbleitervorrichtung erhöhen zu können.
Eine Methode zur Verbesserung der Fähigkeit der MOS-Halbleitervorrichtung, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können, besteht darin, einen Teil der Basiszone des Leitungstyps p mit einer größeren Diffusionstiefe auszubilden. Diese Erhöhung der Diffusionstiefe wirkt sich jedoch auf den Widerstandswert im Einschaltzustand und auch auf andere Eigenschaften der Halbleitervorrichtung nachteilig aus. Falls z. B. die Tiefe eines Teils der Basiszone des Leitungstyps p bei einem bestimmten MOSFET von fünf Mikrometer auf sieben Mikrometer erhöht wird, vergrößert sich der Lawinenstrom um 25%, gleichzeitig erhöht sich aber auch der Widerstand im eingeschalteten Zustand um 15%. Insgesamt gesehen, ist diese Methode daher nicht bevorzugt.
In 11 ist ein Querschnitt durch einen MOSFET gezeigt, wie er in der US-PS 5 365 099 offenbart ist. Bei diesem MOSFET wird ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Durchbruchspannung eingesetzt.
In dem links dargestellten Teil der 11 ist ein herkömmlicher MOSFET dargestellt. Bei diesem MOSFET ist eine Driftschicht 13 des Leitungstyps n auf einer Drainschicht 11 des Leitungstyps n⁺ angeordnet. Eine Mehrzahl von Basiszonen 14 des Leitungstyps p und von Kontaktzonen 15 des Leitungstyps p⁺, die innerhalb der Basiszonen 14 angeordnet sind, sind in einer Oberflächenschicht bzw. an der Oberseite der Driftschicht 13 des Leitungstyps n ausgebildet. Weiterhin sind Sourcezonen 16 des Leitungstyps n in Oberflächenschichten, d. h. im oberen Bereich, der Basiszone 14 des Leitungstyps p ausgebildet. Eine Gateelektrodenschicht 18, die z. B. aus polykristallinem Silizium hergestellt ist, ist auf einem Gateoxidfilm 17 oberhalb von solchen Abschnitten der Basiszonen 14 des Leitungstyps p ausgebildet, die zwischen den Sourcezonen 16 des Leitungstyps n und einer freiliegenden bzw. bis zur Substratoberfläche reichenden Fläche der Driftschicht 13 des Leitungstyps n vorhanden sind. Eine Sourceelektrode 19, die aus einer Aluminiumlegierung besteht, ist derart ausgebildet, daß sie sowohl mit den Basiszonen 14 des Leitungstyps p (den Kontaktzonen 15 des Leitungstyps p⁺) als auch mit den Sourcezonen 16 des Leitungstyps n in Kontakt steht. Die Sourceelektrode 19 erstreckt sich über die Gateelektrodenschicht 18 hinweg, wobei diese Elektroden 18 und 19 gegenseitig mit Hilfe einer isolierenden Zwischenschicht bzw. eines isolierenden, zwischenliegenden Films 21 isoliert sind, der aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG = "Boron Phosphorous Silica Glass") hergestellt ist. Eine Drainelektrode 20, die aus einer Legierung aus AI-Si hergestellt ist, ist auf der rückseitigen Oberfläche (Unterseite) der Drainschicht 11 des Leitungstyps n⁺ ausgebildet. Eine Struktureinheit bzw. Baueinheit, die eine Sourcezone 16 des Leitungstyps n, eine Sourceelektrode 19 und weitere Elemente oberhalb und unterhalb der Basiszone 14 des Leitungstyps p enthält, wird als eine Zellstruktur bzw. Elementzelle bezeichnet. Diese Elementzelle wird häufig mit einer polygonalen oder rechteckförmigen Form ausgebildet. In einem in der Praxis benutzten MOSFET ist eine Vielzahl von solchen Elementzellen jeweils in parallel zueinander liegender Form angeordnet.
Eine Einrichtung zum Erhöhen des Lawinenstroms ist in 11 in deren rechter Hälfte dargestellt. Eine Kontaktzone 7 des Leitungstyps n⁺ ist in einer Oberflächenschicht, d. h. in der Oberfläche, der Driftschicht 13 des Leitungstyps n ausgebildet, und es ist eine Hilfselektrode 8 vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß sie mit der Kontaktzone 7 des Leitungstyps n⁺ in Kontakt steht. Eine Anordnung aus einer Vielzahl von als Paare vorliegenden Zenerdioden 10, die gegenseitig in Reihe geschalten sind, ist auf einem relativ dicken Oxidfilm 9 vorhanden, der auf der Oberfläche der Driftschicht 13 des Leitungstyps n ausgebildet ist. Jedes der durch die Zenerdioden gebildeten Paare ist jeweils umgekehrt mit dem benachbarten Paar verbunden. Die vorstehend erläuterte Hilfselektrode 8 ist mit einem Ende der Serienschaltung der Zenerdioden 10 verbunden. Eine Elektrode, die von dem anderen Ende der durch die Zenerdioden gebildeten Anordnung 10 herausgeführt ist, ist mit den Gateleketrodenschichten 18 des MOSFETs verbunden.
Bei diesem Aufbau werden die Hilfselektrode 8 und die Drainelektrode 20 auf dem gleichen Potential gehalten. Wenn sich eine an die Drainelektrode 20 angelegte Spannung so weit erhöht, daß sie höher wird als die Klemmspannung bzw. Durchschaltspannung der durch die in Reihe geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 10, wird die Differenz zwischen dieser hohen Spannung und der Klemmspannung an die Gateelektrodenschichten 18 des MOSFETs angelegt, wodurch der MOSFET eingeschaltet wird, so daß das Halbleiterbauelement geschützt wird.
Zur Schaffung des in 11 gezeigten Aufbaus ist es jedoch erforderlich, ein Fenster durch den dicken Oxidfilm 9 hindurch auszubilden, damit die Kontaktzone 7 des Leitungstyps n⁺ in der Oberseite der Driftschicht 13 des Leitungstyps n ausgebildet werden kann. Weiterhin ist es notwendig, daß die Kontaktzone 7 des Leitungstyps n⁺ mit einer ausreichend großen Fläche bereitgestellt wird, damit ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt wird.
Aus der US 5,365,099 A und ebenfalls aus der EP 0 566 179 A1 ist eine MOS-Halbleitervorrichtung mit einer ersten MOS-Halbleiteranordnung, die eine Sourceelektrode, eine Drainelektrode und eine Gateelektrode enthält, und einer Mehrzahl von Zenerdioden, die in Reihe geschaltet sind und die zwischen der Drainelektrode der MOS-Halbleiteranordnung und deren Gateelektrode angeordnet sind, bekannt, wobei wenigstens zwei Zenerdioden der Mehrzahl von Zenerdioden entgegengesetzt zu anderen geschaltet sind. Bei der EP 0 566 179 A1 ist ist zusätzlich zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode eine weitere Reihenschaltung gegensinnig gepolter Zenerdioden angeordnet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung des MOS-Typs bereitzustellen, die eine verbesserte Fähigkeit besitzt, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können, und die leicht hergestellt und mit hoher Zuverlässigkeit betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung wird die zweite Halbleiteranordnung eingeschaltet, wenn eine übermäßig hohe Spannung zwischen die Drainelektrode und die Gateelektrode der ersten Halbleiteranordnung angelegt wird. Als Ergebnis dessen fließt ein Strom von der zweiten Halbleiteranordnung in die Gateelektrode der ersten Halbleiteranordnung über die Vielzahl von Zenerdiodenpaaren hinweg, so daß die erste Halbleiteranordnung hierdurch eingeschaltet wird. Dadurch wird die Halbleitervorrichtung gegenüber der übermäßig hohen Spannung geschützt und es läßt sich folglich die Durchbruchspannung dieser Halbleitervorrichtung (Halbleiterelement) erhöhen.
Vorzugsweise ist ein durch Zenerdioden gebildetes Paar zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode der ersten Halbleiteranordnung angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung kann dann, wenn eine übermäßig hohe Spannung zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode angelegt ist, ein durch die Spannung hervorgerufener Strom durch das Zenerdiodenpaar, die einen Bypass bzw. eine Umgehungsstrecke bilden, fließen. Damit lassen sich ein dünner Gateisolierfilm und weitere Elemente der Halbleitervorrichtung gegenüber solchen übermäßig hohen Spannungen schützen.
Ferner ist vorzugsweise zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode der ersten Halbleiteranordnung ein Widerstand vorgesehen. In diesem Fall kann die Gateelektrode der ersten Halbleiteranordnung dann, wenn ihr Potential aufgrund einer Abschaltung oder aus sonstigen Gründen schwankt, gegenüber Störspannungen geschützt werden.
Wenn sowohl die erste als auch die zweite, als MOS-Typ ausgebildete Halbleiteranordnung als bipolare Transistoren mit isoliertem Gate aufgebaut sind, die mit Modulation der Leitfähigkeit arbeitende Bauelemente darstellen, ist lediglich eine kleine Fläche der ersten Halbleiteranordnung erforderlich, damit ein großer Strom durch das Bauelement fließen kann.
Bei einer Ausgestaltung der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden, in MOS-Technologie ausgebildeten Halbleitervorrichtung enthält sowohl die erste als auch die zweite Halbleiteranordnung jeweils folgende Komponenten: eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind; eine Driftschicht eines ersten Leitungstyps; eine Basiszone des zweiten Leitungstyps, die in einer Oberflächenschicht bzw. an der Oberseite der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der Seite bzw. an der ersten Hauptoberfläche ausgebildet ist; eine Sourcezone des ersten Leitungstyps, die von der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht durch die den zweiten Leitungstyp aufweisende, dazwischen liegende Basiszone beabstandet angeordnet ist; eine Gateelektrodenschicht, die auf einem Gateisolierfilm oberhalb einer Oberfläche der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone ausgebildet ist, die zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Sourcezone und der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht eingefügt ist; eine Sourceelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der den ersten Leitungstyp aufweisenden Sourcezone als auch mit der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone in Kontakt steht; eine Drainschicht, die an einer Oberfläche der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der zur zweiten Hauptoberfläche weisenden Seite ausgebildet ist; eine Drainelektrode, die auf der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet ist und mit einer Oberfläche der Driftschicht in Kontakt steht; und eine Gateelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie mit der Gateelektrodenschicht in Kontakt steht. Die erste und zweite, in dieser Weise aufgebaute Halbleiteranordnung stellen eine vertikale MOS-Halbleitervorrichtung (MOS-Halbleiterbauelement) des planaren Typs bereit, die ausreichend hohe Effizienz hinsichtlich der Ausnutzung des Halbleitersubstrats sicherstellt und in vielen Anwendungen als ein Leistungshalbleiterelement eingesetzt werden kann.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erste und die zweite Halbleiteranordnung jeweils folgende Komponenten auf: eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche, die in entgegengesetzte Richtungen weisen; eine Driftschicht eines ersten Leitungstyps, die einen hohen spezifischen Widerstand aufweist; eine Basiszone des zweiten Leitungstyps, die in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich der Driftschicht des ersten Leitungstyps auf der Seite, d. h. im Bereich, der ersten Hauptfläche ausgebildet ist; eine Sourcezone des ersten Leitungstyps, die von der den ersten Leitungstyps aufweisenden Driftschicht beabstandet und von dieser durch eine Basiszone des zweiten Leitungstyps getrennt ist; einen Graben, der in der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht so ausgebildet ist, daß die den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone an einer Innenwand des Grabens frei liegt, wobei der Graben eine Tiefe aufweist, die größer ist als diejenige der den zweiten Leitungstyp besitzenden Basiszonen; eine Gateelektrodenschicht, die in dem Graben ausgebildet ist, wobei ein Gateisolierfilm einen Raum zwischen der Gateelektrodenschicht und der Innenwand des Grabens ausfüllt; eine Drainschicht, die an einer Oberfläche bzw. einem oberen Bereich der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der der zweiten Hauptfläche zugewandten Seite ausgebildet ist; eine Drainelektrode, die an der zweiten Hauptfläche so ausgebildet ist, daß sie mit einer Oberfläche der Drainschicht in Kontakt steht; und eine Gateelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie mit der Gateelektrodenschicht in Kontakt steht. Die in dieser Weise aufgebaute erste und zweite Halbleiteranordnung führen damit zur Schaffung einer MOS-Halbleitervorrichtung (MOS-Halbleiterbauelement) des vertikalen Typs mit Graben-Gate ("Trench-Gate"), bei der eine noch weiter verbesserte Effizienz hinsichtlich der Ausnutzung des Halbleitersubstrats erzielt wird und die in vielen Anwendungsbereichen als ein Leistungshalbleiterelement eingesetzt werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein dicker feldisolierender Film (Feldisolierfilm) an der ersten Hauptfläche zwischen der ersten Halbleiteranordnung und der zweiten Halbleiteranordnung angeordnet. Ein Teil der Gateelektrodenschicht der zweiten Halbleiteranordnung erstreckt sich auf bzw. über dem feldisolierendem Film. Der feldisolierende Film weist einen Abschnitt mit einer kleinen Dicke auf, dessen Dicke geringer ist als diejenige des feldisolierenden Films, und der zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der Gateelektrodenschicht der zweiten Halbleiteranordnung, die um die den zweiten Leitungstyp aufweisende Basiszone der zweiten Halbleiteranordnung herum angeordnet sind, ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird verhindert, daß sich unter dem dicken, feldisolierenden Film eine Inversionsschicht ausbildet. Weiterhin wird hierdurch verhindert, daß Strom zwischen den den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszonen der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung fließen kann.
Wenn der die kleine Dicke aufweisende Abschnitt des feldisolierenden Films im wesentlichen die gleiche Dicke wie der Gateisolierfilm aufweist, kann dieser Abschnitt gleichzeitig mit der Herstellung des Gateisolierfilms ausgebildet werden, so daß der Herstellungsprozeß nicht kompliziert und nicht erschwert ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine MOS-Halbleitervorrichtung geschaffen, die folgende Merkmale aufweist: eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche, die in entgegengesetzte Richtungen weisen; eine Driftschicht eines ersten Leitungstyps, die einen hohen spezifischen Widerstand besitzt; eine Basiszone eines zweiten Leitungstyps, die in einer Oberflächenschicht, bzw. einem Oberflächenbereich der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der Seite der ersten Hauptfläche, d. h. an der der ersten Hauptfläche zugewandten Seite ausgebildet ist; eine den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone, die von der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht beabstandet ausgebildet und von dieser durch die den zweiten Leitungstyp aufweisende Basiszone getrennt ist; eine Gateelektrodenschicht, die auf einem Gateisolierfilm oberhalb einer Oberfläche bzw. Fläche der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone, die zwischen der den ersten Leitungstyp besitzenden Sourcezone und der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht eingefügt ist, ausgebildet ist; eine Sourceelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der den ersten Leitungstyp aufweisenden Sourcezone als auch mit der den zweiten Leitungstyp besitzenden Basiszone in Kontakt steht; eine den zweiten Leitungstyp aufweisende Drainschicht, die an einer Oberfläche der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht an der Seite der zweiten Hauptfläche bzw. an der der zweiten Hauptfläche zugewandten Seite ausgebildet ist; eine Drainelektrode, die auf der zweiten Hauptfläche derart ausgebildet ist, daß sie mit der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht in Kontakt steht; eine Gateelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie mit der Gateelektrodenschicht in Kontakt steht; und eine Ballastwiderstandsschicht, die zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht vorgesehen ist, wobei die Ballastwiderstandsschicht einen Abschnitt enthält, der einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 0,05 bis 1 Ω·cm und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 30 μm bis 80 μm aufweist.
Bei einem in Form eines Typs mit Trench-Gate ausgebildeten bipolaren Transistors (oder Thyristors) mit isoliertem Gate, bei dem der Graben mit einer Tiefe ausgebildet ist, die größer ist als die Tiefe der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone, so daß auch die den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone an einer Innenwand des Grabens freigelegt ist, kann eine Ballastwiderstandsschicht zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht vorgesehen sein, wobei die Ballastwiderstandsschicht einen Abschnitt enthalten kann, der einen spezifischen Widerstand in einem Bereich von 0,05 bis 1 Ω·cm und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 30 μm bis 80 μm aufweist.
Bei der vorstehend erläuterten Ausgestaltung wird davon ausgegangen, daß die Ballastwiderstandsschicht einen Widerstand bildet und dazu dient, einen Strom zu verteilen, der andernfalls einen Lawinendurchbruch hervorrufen könnte. Falls der spezifische Widerstand der Ballastschicht niedriger ist als der vorstehend angegebene Bereich, oder wenn ihre Dicke kleiner ist als der vorstehend angegebene Bereich, kann die Schicht zwar in ausreichender Weise als Widerstand fungieren, kann aber andere Eigenschaften des Bauelements nachteilig beeinflussen und z. B. dessen Spannung bzw. Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand erhöhen.
Vorzugsweise liegt der spezifische Widerstand der Ballastwiderstandsschicht in dem Bereich von 0,1 bis 0,4 Ω·cm. Wenn der spezifische Widerstand in dieser Weise festgelegt wird, arbeitet das resultierende Bauelement in gewünschter Weise und zeigt verbesserte Fähigkeiten, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können. Dies liegt an der Wirkungsweise der Ballastschicht, einen großen Strom zu verteilen.
Die Ballastwiderstandsschicht kann den ersten Leitungstyp aufweisen oder kann auch aus einem den ersten Leitungstyp aufweisenden Abschnitt, der mit der Driftschicht in Kontakt steht, und einem den zweiten Leitungstyp aufweisenden Abschnitt bestehen, der mit der Drainschicht in Kontakt steht. In jedem dieser Fälle bildet die Ballastwiderstandsschicht einen Widerstand und bewirkt die Verteilung eines großen Stroms.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine MOS-Halbleitervorrichtung (MOS-Halbleiterbauelement) geschaffen, die folgende Komponenten enthält: eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche, die in entgegengesetzte Richtungen weisen; eine Driftschicht eines ersten Leitungstyps, die einen hohen spezifischen Widerstandswert aufweist; eine Basiszone eines zweiten Leitungstyps, die in einer Oberflächenschicht bzw. in einem Oberflächenbereich der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der Seite der ersten Hauptfläche ausgebildet ist; eine den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone, die von der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht beabstandet ausgebildet und von dieser durch die den zweiten Leitungstyp aufweisende Basiszone getrennt ist; eine Gateelektrodenschicht, die auf einem Gateisolierfilm oberhalb einer Oberfläche bzw. Fläche der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone, die zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Sourcezone und der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht eingefügt ist, ausgebildet ist; eine Sourceelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der den ersten Leitungstyp aufweisenden Source als auch mit der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone in Kontakt steht; eine den ersten Leitungstyp besitzende Drainschicht, die auf einer Oberfläche bzw. Fläche der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht auf der der zweiten Hauptfläche zugewandten Seite ausgebildet ist, wobei die den ersten Leitungstyp aufweisende Drain schicht einen kleineren Widerstandswert als die den ersten Leitungstyp aufweisende Schicht besitzt; eine Drainelektrode, die an der zweiten Hauptfläche so ausgebildet ist, daß sie mit einer Oberfläche der den ersten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht in Kontakt steht; eine Gateelektrode, die mit der Gateelektrodenschicht in Kontakt steht; und eine Ballastwiderstandsschicht, die zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den ersten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht vorgesehen ist. Die Ballastwiderstandsschicht bildet eine Zone, die nicht verarmt wird, wenn ein Lawinendurchbruch bei dem Anlegen einer hohen Spannung an die MOS-Halbleitervorrichtung, die sich in dem ausgeschalteten Zustand befindet, auftritt. Diese Ballastwiderstandsschicht weist einen Widerstand oder spezifischen Widerstand auf, der im wesentlichen gleich groß wie oder kleiner als derjenige der den ersten Leitungstyp besitzenden Driftschicht ist, jedoch größer ist als ein Zehntel des Widerstandswerts der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht. Die Dicke der Ballastwiderstandsschicht beträgt mindestens ungefähr 1 μm.
Bei einem mit Grabengate bzw. Trench-Gate versehenen bipolaren Transistor (oder Thyristor) mit isoliertem Gate, bei dem ein Graben mit einer Tiefe ausgebildet ist, die größer ist als diejenige der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone, so daß auch die den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone an einer Innenwand des Grabens freiliegt, kann die den ersten Leitungstyp aufweisende Ballastwiderstandsschicht zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den ersten Leitungstyp besitzenden Drainschicht vorgesehen sein. Die Ballastwiderstandsschicht stellt eine Zone bereit, die auch dann nicht verarmt wird, wenn ein Lawinendurchbruch bei dem Anlegen einer hohen Spannung an die MOS-Halbleitervorrichtung, die sich in dem ausgeschalteten Zustand befindet, auftritt. Die Ballastwiderstandsschicht weist einen spezifischen Widerstand auf, der im wesentlichen gleich groß wie oder kleiner als derjenige der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht ist, jedoch größer ist als ein Zehntel des Widerstandswerts der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht. Die Ballastwiderstandsschicht weist eine Dicke von mindestens ungefähr 1 μm auf.
Vorzugsweise ist die Dicke des Abschnitts der Ballastwiderstandsschicht nicht größer als die Hälfte (1/2) der Dicke der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht.
Bei der vorstehend angegebenen Ausgestaltung wird davon ausgegangen, daß die Ballastwiderstandsschicht einen Widerstand bildet und dazu dient, einen großen Strom aufzuteilen. Falls der spezifische Widerstand dieser Ballastwiderstandsschicht geringer ist als der vorstehend angegebene Bereich, oder wenn ihre Dicke kleiner ist als der vorstehend definierte Bereich, kann die Ballastwiderstandsschicht zwar in ausreichender Weise als Widerstand fungieren, kann aber andere Eigenschaften des Bauelements nachteilig beeinflussen, nämlich z. B. die Spannung bzw. den Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand vergrößern.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt in Form eines Querschnitts einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines bipolaren Transistors (oder Thyristors) mit isoliertem Gate dargestellt,
2(a) zeigt eine Draufsicht auf einen Chip, der einen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestalteten bipolaren Transistor (oder Thyristor) mit isoliertem Gate enthält,
2(b), 2(c), 2(d) zeigen Draufsichten auf abgeänderte Ausführungsformen des in 2(a) gezeigten Ausführungsbeispiels,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Äquivalenzschaltbilds des bipolaren Transistors (oder Thyristors) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Hilfseinrichtung (Hilfselement) des Chips des bipolaren Transistors (oder Thyristors) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und der Dicke einer Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ dargestellt ist,
6 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und dem spezifischen Widerstand der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht dargestellt ist,
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines bipolaren Transistors (oder Thyristors) mit isoliertem Gate,
8 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines bipolaren Transistors (oder Thyristors) mit isoliertem Gate,
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines bipolaren Transistors (oder Thyristors) mit isoliertem Gate,
10 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und der Dicke einer den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht, und
11 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines bekannten MOSFET.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sowie in den Zeichnungen bedeuten die Angaben "n" oder "p", die bei Zonen, Schichten usw. angegeben sind, daß diese Zonen, Schichten usw., jeweils als Majoritätsladungsträger-Elektronen bzw. Löcher aufweisen.
Der Leitungstyp n wird hierbei als der erste Leitungstyp bezeichnet, wohingegen der Leitungstyp als der zweite Leitungstyp eingestuft ist. Selbstverständlich können die Leitungstypen auch umgekehrt eingestuft sein.
In 2(a) ist eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate (IGBT) dargestellt. Der im folgenden verwendete Ausdruck "bipolarer Transistor mit isoliertem Gate" ist so zu verstehen, daß er nicht nur einen bipolaren Transistor, sondern auch einen bipolaren Thyristor mit isoliertem Gate umfaßt. Dieser als Chip vorliegende bipolare Transistor mit isoliertem Gate enthält eine erste Halbleiteranordnung 1 in MOS-Ausführungsform, die einen Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate bildet und das Schalten eines Laststroms bewirkt. Der bipolare Transistor enthält weiterhin eine zweite Halbleiteranordnung 2 in MOS-Ausführungsform, die einen Hilfsabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate darstellt, der zum Erhöhen der Durchbruchspannung dient. Ferner enthält der bipolare Transistor mit isoliertem Gate eine Anordnung 3 aus umgekehrt bzw. entgegengesetzt miteinander verbundenen, durch Zenerdioden gebildeten Paaren, die miteinander in Reihe geschaltet sind, und einen Gateanschluß bzw. eine Gateanschlußfläche 4.
In den 2(b) bis 2(d) sind abgeänderte Ausführungsformen dargestellt, bei denen diese Komponenten 1 bis 4 in einer Anordnung vorgesehen sind, die sich von der in 2(a) gezeigten Anordnung unterscheidet. Die in den 2(a) bis 2(d) verwendeten Bezugszeichen bezeichnen jeweils in allen Figuren die einander entsprechenden Komponenten. Aus den 2(a) bis 2(b) ist ersichtlich, daß es bevorzugt ist, die zweite Halbleiteranordnung 2 in MOS-Ausführungsform in der Nähe der Peripherie bzw. des Außenbereichs des Chips anzuordnen, und die durch die Zenerdioden gebildete Anordnung 10 zwischen der zweiten, in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleiteranordnung 2 und der Gateanschlußfläche 4 anzuordnen.
In 3 ist in schematischer Darstellung ein Ersatzschaltbild des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im folgenden werden die Elemente des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate jeweils mit Ausdrücken bezeichnet, die normalerweise dazu benutzt werden, entsprechende Elemente eines MOSFETs zu bezeichnen. Somit werden der Kollektor und der Emitter des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate als Drain bzw. als Source bezeichnet. Der Hilfsabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der durch die zweite, in MOS-Ausführungsform vorliegende Halbleiteranordnung 2 gebildet ist, und die durch die entgegengesetzt verschalteten Zenerdiodenpaare gebildete Anordnung 3 sind in Reihe zwischen das Drain D und das Gate G des Hauptabschnitts des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der durch die erste, in MOS-Ausführungsform vorliegende Halbleiteranordnung 1 gebildet ist, geschaltet. Das Drain D und das Gate G des durch die Halbleiteranordnung 2 gebildeten Hilfsabschnitts des bipolaren Transistors sind kurzgeschlossen. Die durch die Zenerdioden gebildete Anordnung 3 ist so aufgebaut, daß eine Vielzahl von Zenerdioden in Reihe geschaltet ist, wobei jedes Zenerdiodenpaar jeweils in entgegengesetztem Sinn mit dem benachbarten Zenerdiodenpaar verbunden ist. Zwischen die Source S und das Gate G des durch die Halbleiteranordnung 1 gebildeten Hauptabschnitts des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate ist ein durch entgegengesetzt bzw. mit umgekehrter Polung miteinander verbundene Zenerdioden gebildetes Paar 5 und ein Widerstand 6 geschaltet, wobei das Zenerdiodenpaar 5 und der Widerstand 6 parallel zueinander geschaltet sind. Das Zenerdiodenpaar 5 stellt einen Bypass bzw. eine Umgehungsstrecke bereit, durch die Strom fließen kann, wenn eine übermäßig große Spannung zwischen das Gate G und die Source S angelegt ist. Hierdurch wird der durch die Halbleiteranordnung 1 gebildete Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate geschützt. Der Widerstand 6 dient dazu, zu verhindern, daß hohe Spannung aufweisende Störungen bzw. Störsignale oder dergleichen an das Gate G angelegt werden. Diese Störungen könnten andernfalls z. B. aufgrund einer fehlenden Verbindung bzw. einer Durchtrennung einer Gateleitung auftreten.
In 4 ist eine Draufsicht gezeigt, in der der Umgehungsbereich des Hilfsabschnitts des den bipolaren Transistor mit isoliertem Gate enthaltenden Chips in der dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2(a) entsprechenden Ausführungsform in vergrößerter Darstellung gezeigt ist. In 4 ist jede Elektrode durch punktierte Linien wiedergegeben, während eine aus polykristallinem Silizium bestehende Schicht mit dicken Linien dargestellt ist. Die aus polykristallinem Silizium bestehende Schicht bildet eine Gateelektrodenschicht 38 für den als bipolarer Hilfstransistor mit isoliertem Gate dienenden Hilfsabschnitt und ist mit einem solchen Muster versehen, daß sich ein Teil der Elektrodenschicht 38 mit einer peripheren Elektrode 32 des den bipolaren Transistor mit isoliertem Gate enthaltenden Chips überlappt. Eine Hilfs-Sourceelektrode 39 des als bipolarer Hilfstransistor mit isoliertem Gate dienenden Hilfsabschnitts ist in Kontakt mit schraffiert dargestellten Abschnitten der Oberfläche des Siliziumsubstrats gehalten. Weiterhin ist die Sourceelektrode 39 des bipolaren Hilfstransistors des Hilfsabschnitts mit einem Ende bzw. Anschluß der durch die mit umgekehrter Polung miteinander verbundenen Zenerdiodenpaare gebildeten Anordnung 3 verbunden. Das andere Ende bzw. der andere Anschluß der durch die Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 ist mit der Gateanschlußfläche 4 des Hauptabschnitts des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate verbunden.
In 1 ist eine Querschnittsansicht gezeigt, die entlang einer in 4 dargestellten Linie A-A geschnitten ist. Ein am linken Rand der 1 dargestellter Abschnitt zeigt die den Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate bzw. den bipolaren Haupttransistor bildende Halbleiteranordnung 1, die die Schaltung des Stroms bewirkt.
Der Aufbau der den Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 1 ist im wesentlichen identisch wie der Aufbau eines bekannten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate. Hierbei sind voneinander getrennte Basiszonen 24 des Leitungstyps p in einer Oberflächenschicht bzw. an der Oberseite einer Driftschicht 23 des Leitungstyps n, die hohen Widerstand bzw. spezifischen Widerstand aufweist, an einer der beiden sich gegenüberliegenden Hauptflächen bzw. Hauptoberflächen des Siliziumsubstrats ausgebildet. Weiterhin sind Senkenzonen 25 des Leitungstyps p⁺ mit einer größeren Diffusionstiefe als die Basiszonen 24 des Leitungstyps p ausgebildet und bilden einen Teil der Basiszonen 24 des Leitungstyps p. Die Senkenzonen 25 dienen zum Zweck der Verhinderung eines Verriegelns bzw. Sperrens ("Latch-Up") des parasitären Thyristors bzw. Transistors. Eine Pufferschicht 23 des Leitungstyps n⁺, die einen niedrigeren Widerstand bzw. Widerstandswert als die den Leitungstyp n aufweisende Driftschicht 23 besitzt, ist an der anderen Oberfläche der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23 ausgebildet. Eine Drainschicht 21 des Leitungstyps p ist an einer Oberfläche der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht 22 entfernt von der Driftschicht 23 des Leitungstyps n ausgebildet. Ferner sind Sourcezonen 26 des Leitungstyps n in ausgewählten Bereichen der Oberflächenschichten bzw. Oberflächenbereiche der den Leistungstyp p aufweisenden Basiszonen 24 ausgebildet. Eine Gateelektrodenschicht 28, die aus polykristallinem Silizium hergestellt ist, ist auf einem Gateoxidfilm 27 oberhalb der Flächen der den Leitungstyp p aufweisenden Basiszonen 24, die zwischen den Sourcezonen 26 des Leitungstyps n und der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23 vorhanden sind, ausgebildet. Es liegt somit ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate und dem Leitungstyp n vor. Die Oberfläche der Gateelektrodenschicht 28 ist mit einem isolierenden Film 31 bedeckt, der z. B. aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG) hergestellt ist. Auf dem isolierenden Film 31 ist eine Sourceelektrode 29 vorhanden. Kontaktlöcher sind derart ausgebildet, daß die Sourceelektrode 29 mit den Oberflächen sowohl der Basiszonen 24 des Leitungstyps p als auch der Sourcezone 26 des Leitungstyps n in Kontakt steht, und daß eine Gateelektrode, die aus einem Metall hergestellt ist, mit der Gateelektrodenschicht 28 in Kontakt steht. Eine Drainelektrode 30 ist auf einer Oberfläche der den Leitungstyp p aufweisenden Drainschicht 21 entfernt von der den Leitungstyp n⁺ besitzenden Pufferschicht 22 ausgebildet. In vielen Fällen erstreckt sich die Sourceelektrode 29 oberhalb der Gateelektrodenschicht 28, wobei der isolierende Film 31 zwischen diesen Komponenten eingefügt ist, wie dies aus 1 ersichtlich ist.
In der rechten Hälfte der 1 ist ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung 2 gezeigt, die einen als bipolaren Hilfstransistor mit isoliertem Gate dienenden Abschnitt darstellt.
Der Aufbau der den bipolaren Hilfstransistor darstellenden Halbleiteranordnung 2 ist im wesentlichen identisch wie der Aufbau der Halbleiteranordnung 1, die den Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate bildet. Hilfsbasiszonen 34 des Leitungstyps p sind in einer Oberflächenschicht bzw. an der Oberseite der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23 ausgebildet, und es sind Hilfssenkenzonen 35 des Leitungstyps p⁺, die eine größere Diffusionstiefe als die Hilfsbasiszonen 34 des Leitungstyps p besitzen, als ein Teil der Basiszonen 34 des Leitungstyps p vorgesehen. Die Senkenzonen 35 dienen zum Zwecke der Verhinderung einer Verriegelung bzw. Sperrung ("Latch-Up") des parasitären Thyristors. Ferner sind Hilfssourcezonen 36 des Leitungstyps n in ausgewählten Bereichen der Oberflächenschichten bzw. Oberflächenbereiche der Hilfsbasiszonen 34 des Leitungstyps p ausgebildet. Eine Hilfsgateelektrodenschicht 38, die aus polykristallinem Silizium hergestellt ist, ist auf einem Hilfsgateoxidfilm 37 oberhalb derjenigen Oberflächen bzw. Flächen der den Leitungstyp p aufweisenden Hilfsbasiszonen 34 ausgebildet, die zwischen den Hilfssourcezonen 36 des Leitungstyps n und der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23 vorhanden sind. Die Halbleiteranordnung 2 bildet somit einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate mit einem Kanal des Leitungstyps n. Die Oberfläche der Hilfsgateelektrodenschicht 38 ist durch einen isolierenden Film 31 bedeckt, der z. B. aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG) hergestellt ist und auf dem eine Hilfssourceelektrode 39 vorgesehen ist. Kontaktlöcher sind derart ausgebildet, daß die Hilfssourceelektrode 39 mit Oberflächen sowohl der Hilfsbasiszonen 34 des Leitungstyps p als auch der den Leitungstyp n aufweisenden Hilfssourcezonen 36 in Kontakt steht. Der an der anderen Seite der den Leitungs typ n aufweisenden Driftschicht 23 vorhandene Aufbau ist identisch wie der Aufbau der den Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 1.
Zwischen der den bipolaren Haupttransistor mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 1 und der den bipolaren Hilfstransistor mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 2 ist die durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildete Anordnung 3 auf einem dicken Oxidfilm 33 ausgebildet, der seinerseits auf der Driftschicht 23 des Leitungstyps n gebildet ist.
Aus dem in 1 gezeigten Querschnitt ist ersichtlich, daß die periphere Elektrode 32 mit der Hilfsgateelektrodenschicht 38 verbunden ist, und daß die Hilfssourceelektrode 39 mit einem Ende bzw. Anschluß der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 verbunden ist. Eine Elektrode, die von dem anderen Ende bzw. Anschluß der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 herausgeführt ist, ist mit der Gateanschlußfläche 4 der den bipolaren Haupttransistor mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 1 verbunden.
Der dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende bipolare Transistor mit isoliertem Gate stellt ein Bauelement für die Klasse 600 V dar. Zur Herstellung dieses bipolaren Transistors wird ein Wafer vorbereitet, wozu die den Leitungstyp n⁺ aufweisende Pufferschicht 22 dadurch gebildet wird, daß man eine Schicht des Leitungstyps n mit einem spezifischen Widerstand von 0,2 Ω·cm und einer Dicke von 30 μm auf einem Substrat des Leitungstyps p mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω·cm und einer Dicke von 500 μm epitaktisch aufwachsen läßt und dann die Driftschicht 23 des Leitungstyps n ausbildet, indem man auf der Pufferschicht 22 eine Schicht des Leitungstyps n mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ω·cm und einer Dicke von ungefähr 50 μm epitaktisch aufwachsen läßt. Der restliche Teil des Aufbaus kann im wesentlichen mit demselben Herstellungsprozeß, wie er zur Herstellung eines bekannten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate eingesetzt wird, gefertigt werden, mit Ausnahme lediglich einiger kleiner Änderungen wie etwa z. B. unterschiedlichen Mustern der Masken. Der Hauptabschnitt und der Hilfsabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate können gleichzeitig hergestellt werden, da diese Abschnitte die gleichen Abmessungen aufweisen können. Genauer gesagt, werden die Haupt- und Hilfsbasiszonen 24 und 34 des Leitungstyps p, die Haupt- und Hilfssenkenzonen 25 und 35 des Leitungstyps p⁺ und die den Leitungstyp p aufweisenden Zonen der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 durch Implantieren von Borionen und durch thermische Diffusion gebildet, und es werden die Haupt- und Hilfssourcezonen 26 und 36 des Leitungstyps n und die den Leitungstyp n aufweisenden Zonen der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 durch Implantieren von Arsenionen oder Phosphorionen und durch thermische Diffusion erzeugt. Die die seriell geschalteten Zenerdioden enthaltende Anordnung 3 ist durch eine Schicht aus polykristallinem Silizium gebildet, die mit Hilfe desselben, druckreduzierten CVD-Verfahrens (chemische Dampfabscheidung) aufgebracht wird, das auch zur Herstellung der Haupt- und Hilfsgateelektrodenschichten 28 und 38 eingesetzt wird. Die Haupt- und Hilfsbasiszonen 24 und 34 des Leitungstyps p und die Haupt- und Hilfssourcezonen 26 und 36 des Leitungstyps n werden dadurch ausgebildet, daß die Haupt- und Hilfsgateelektrodenschichten 28 und 38 als ein Teil der Masken herangezogen werden, so daß die Ränder dieser Zonen 24, 34, 26 und 36 geeignet positioniert werden. Hierbei werden die Breiten dieser Zonen durch die laterale bzw. seitliche Diffusion der jeweiligen Ionen bestimmt. Die Haupt- und Hilfssourceelektroden 29 und 39 und die Gateelektrode werden durch Sputtern einer Aluminiumlegierung und durch nachfolgende photolithographische Bearbeitung ausgebildet, und es wird die Drainelektrode 30 dadurch erzeugt, daß drei Schichten aus Ti, Ni und Au durch Sputtern (Spratzen) hergestellt, so daß sie an ein metallisches Substrat angelötet werden kann.
Die Abmessungen der jeweiligen Zonen und Schichten der den Hauptabschnitt des bipolaren Transistors bildenden Halbleiteranordnung 1 und der den Hilfsabschnitt bildenden Halbleiteranordnung 2 können z. B. in der folgenden Weise festgelegt werden. Die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfssenkenzonen 25 und 35 des Leitungstyps p⁺ beträgt 6 μm, wohingegen die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfsbasiszonen 24 und 34 des Leitungstyps p gleich 2 μm ist. Die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfssourcezonen 26 und 36 des Leitungstyps n liegt bei 0,4 μm. Die Haupt- und Hilfsgate-isolierenden Filme 27 und 37 weisen eine Dicke von 25 nm auf, und es besitzen die Gateelektrodenschichten 28 und 38, die aus polykristallinem Silizium hergestellt sind, und der isolierende Film 31 eine Dicke von 1 μm, wohingegen die Haupt- und Hilfssourceelektroden 29 und 39 eine Dicke von ungefähr 5 μm aufweisen. Die Breite der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 liegt bei 100 μm.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebauten, ersten Ausführungsbeispiels des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate erläutert. Die Hauptsourceelektrode 29 ist geerdet bzw. auf Massepotential gelegt, und es ist die Drainelektrode 30 an eine Spannungsversorgung über eine induktive Last angeschlossen. Wenn der bipolare Transistor mit isoliertem Gate von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird, d. h. wenn der bipolare Transistor mit isoliertem Gate abgeschaltet wird, erhöht sich die Spannung, die an die Drainelektrode 30 angelegt ist, aufgrund der Energie, die in der Induktivität gespeichert ist, wie es bereits vorstehend erläutert ist. Die an die Drainelektrode 30 angelegte Spannung wird zugleich auch an die Hilfsgateelektrodenschicht 38 über die periphere Elektrode 32 angelegt. Andererseits wird aber die Hilfssourceelektrode 39 der den bipolaren Hilfstransistor bildenden Halbleiteranordnung 2 bei einer Spannung gehalten, die so hoch ist wie die Spannung, die durch die Klemmspannung der durch die seriellen Zenerdioden gebildeten Anordnung 3 definiert ist. Wenn die Spannung der Drainelektrode 30 die Klemmspannung überschreitet, wird der bipolare Hilfstransistor der Halbleiteranordnung 2 eingeschaltet. Die durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildete Anordnung 3 ist aus ungefähr 50 Zenerdiodenpaaren aufgebaut, wobei die Zenerdioden oder Zenerdiodenpaare jeweils eine Zenerspannung von ungefähr 7 V besitzen und die Paare jeweils in Reihe geschaltet sind.
Wenn der bipolare Hilfstransistor der Halbleiteranordnung 2 eingeschaltet wird, fließt dessen Strom durch die seriell geschaltete Zenerdioden-Anordnung 3 und wird an die Gateelektrodenschicht 28 des bipolaren Hauptabschnitts der Halbleiteranordnung 1 angelegt, so daß der bipolare Haupttransistor der Halbleiteranordnung 1 eingeschaltet wird. Die Energie, die in der Induktivität (Spule) gespeichert ist, wird folglich durch den gesamten Hauptabschnitt (Halbleiteranordnung) 1 des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate freigegeben bzw. abgeführt.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate wird der Strom, der durch den Hilfstransistorabschnitt bzw. die Halbleiteranordnung 2 fließt, zu der Gateelektrodenschicht 28 der den bipolaren Haupttransistor mit isoliertem Gate bildenden Halbleiteranordnung 1 gespeist, wodurch bewirkt wird, daß das Bauelement geschützt ist, wenn eine übermäßige Spannung angelegt wird. Da der Strom durch den bipolaren Transistor mit isoliertem Gate unter Ausnutzung der Leitfähigkeitsmodulation fließt, ist lediglich eine kleine Fläche zur Führung eines großen Stroms erforderlich, was bewirkt, daß die Halbleiteranordnung 1, d. h. der Hauptabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, rasch eingeschaltet werden kann, wodurch das Ergebnis einer Erhöhung des Lawinenstrom erzielt wird.
Auch wenn dies in dem in 1 dargestellten Querschnitt nicht veranschaulicht ist, können die beiden Zenerdioden 5 und der Widerstand 6, die zwischen dem Gate G und der Source S vorhanden sind und in dem in 3 dargestellten Äquivalenzschaltbild gezeigt sind, in dem Halbleitersubstrat in ähnlicher Weise leicht integriert werden.
Gemäß 1 enthält der dicke Oxidfilm 33 einen Abschnitt 33a, bei dem die Dicke des Oxidfilms reduziert ist, so daß ein zugehöriger Abschnitt der Hilfgateelektrodenschicht 38 näher an eine Oberflächenschicht bzw. an die Oberseite des Siliziumsubstrats herangeführt ist. Dieser Abschnitt 33a dient dazu, zu verhindern, daß in der Nähe der Oberfläche der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23 eine Inversionsschicht unter dem dicken Oxidfilm 33 auftritt, wodurch verhindert wird, daß ein Strom von den Hilfsbasiszonen 34 des Leitungstyps p und der peripheren Zone 32a des Leitungstyps p zu den den Leitungstyp p aufweisenden Basiszonen 24 des Hauptabschnitts des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate fließt. Falls der dünne Abschnitt 33a des Oxidfilms im wesentlichen die gleiche Dicke wie der Gateoxidfilm 27 aufweist, besteht keine Notwendigkeit, die Anzahl der Prozeßschritte für die Ausbildung des dünnen Abschnitts 33a zu erhöhen. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der dünne Abschnitt 33a des Oxidfilms 33 mit einer ringförmigen Gestalt ausgebildet. Die Breite des Abschnitts des Oxidfilms 33, der außerhalb dieses ringförmigen Abschnitts 33a und unterhalb der Hilfsgateelektrodenschicht 38 angeordnet ist, wird vorzugsweise so gesteuert, daß sie so klein wie möglich ist.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des ersten Ausführungsbeispiels des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate besteht darin, daß die den Leitungstyp n⁺ aufweisende Pufferschicht 22 einen spezifischen Widerstand von 0,2 Ω cm und eine Dicke von 30 μm aufweist.
In 5 ist eine graphische Darstellung gezeigt, in der die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und der Dicke der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht veranschaulicht ist. Auf der horizontalen Achse ist die Dicke der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht dargestellt, wohingegen auf der vertikalen Achse der Lawinenstrom je Flächeneinheit aufgetragen ist. Der Lawinenstrom vergrößert sich mit zunehmender Vergrößerung der Dicke der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht, tendiert aber dazu, in die Sättigung zu gelangen, nachdem die Dicke einen Wert von ungefähr 30 μm erreicht hat. Damit ein Lawinenstrom mit einer Größe bzw. Energie von 200 mJ oder 200 mA erzielt werden kann, kann die Chipfläche (genauer gesagt, die Fläche einer aktiven Zone) eine Kleinheit von nur 10 mm² aufweisen, wenn die den Leitungstyp n⁺ aufweisende Pufferschicht eine Dicke von 30 μm besitzt. Wenn die Pufferschicht demgegenüber eine Dicke von 10 μm aufweist, muß die Chipfläche verdoppelt werden, so daß sie 20 mm² beträgt.
In 6 ist eine graphische Darstellung gezeigt, in der die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und dem spezifischen Widerstand der den Leitungstyp n⁺ aufweisenden Pufferschicht dargestellt ist, wobei die Dicke der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ auf 30 μm festgelegt ist. Auf der horizontalen Achse ist der spezifische Widerstand der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ dargestellt, wohingegen auf der vertikalen Achse der Lawinenstrom aufgetragen ist.
Aus den Ergebnissen, die bei der Durchführung dieser Experimente erhalten worden sind, ist ersichtlich, daß der Lawinenstrom die Tendenz besitzt, sich langsam zu vergrößern, wenn sich der spezifische Widerstand der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ vergrößert. Weiterhin ist ersichtlich, daß der spezifische Widerstand vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 Ω·cm gehalten wird.
Falls bei dem Auftreten einer hohen Spannung an dem bipolarem Transistor mit isoliertem Gate ein Lawinendurchbruch auftritt, breitet sich eine Verarmungsschicht durch die Driftschicht des Leitungstyps n hindurch aus und erreicht annahmegemäß die Pufferschicht des Leitungstyps n⁺. Der Lawinenstrom vergrößert sich mit einer Zunahme der Dicke der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ oder mit einer Zunahme des spezifischen Widerstands dieser Pufferschicht, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß derjenige Anteil der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺, der nicht verarmt ist, d. h. nicht in der Verarmungsschicht liegt, einen Ballastwiderstand bildet und die Wirkung besitzt, daß der Strom, der durch das gesamte Bauelement fließt, gemittelt wird.
Auf der Grundlage späterer Experimente wurde bestätigt, daß der vorstehend genannte Effekt erzielt werden kann, wenn der spezifische Widerstand der Pufferschicht des Leitungstyps n⁺ so gesteuert wird, daß er in dem Bereich von 0,05 bis 1 (Ω·m bzw.) Ω·cm liegt, und wenn die Dicke dieser Pufferschicht so gesteuert wird, daß sie in dem Bereich von 30 bis 80 μm liegt. Dieser Effekt wird nicht nur bei der in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleiteranordnung erzielt, die mit einer durch seriell geschaltete Zenerdioden gebildeten Anordnung versehen ist, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, sondern auch bei anderen, in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleiterbauelementen erreicht, die nicht mit einer Zenerdiodenanordnung versehen sind.
In 7 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate dargestellt, der ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung repräsentiert. Dieses Ausführungsbeispiel ist grundlegend gleichartig wie das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich jedoch von diesem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, daß zwischen der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 23a und der den Leitungstyp p besitzenden Drainschicht 21a eine Pufferschicht 22a des Leitungstyps p/n⁺ anstelle der nur aus einem einzigen Leitungstyp bestehenden Pufferschicht 22 ausgebildet ist. Die Pufferschicht 22a des Leitungstyps p/n⁺ weist nahezu den gleichen spezifischen Widerstand wie die den Leitungstyp n⁺ besitzende Pufferschicht 22 des ersten Ausführungsbeispiels auf. Die Schicht p der den Leitungstyp p/n⁺ aufweisenden Pufferschicht 22a weist eine geringere Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration als die Drainschicht 21a des Leitungstyps p auf.
Die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und der Dicke der Pufferschicht wurde mit Bezug zu dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate untersucht, der diese Pufferschicht 22a des Leitungstyps p/n⁺ aufweist. Es wurde gefunden, daß diese Beziehung gleichartig ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
In 8 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate dargestellt. In Übereinstimmung mit dem in 1 gezeigten, ersten Ausführungsbeispiel ist auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel eine Zenerdiodenanordnung 60, die durch mit umgekehrter Polarität in Serie geschaltete Paare von Zenerdioden gebildet ist, zwischen dem Haupttransistorabschnitt und dem Hilfstransistorabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate vorgesehen. Jedoch unterscheiden sich die Ausgestaltungen des Haupttransistors und des Hilfstransistors des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate geringfügig von denjenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Graben 40 in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich einer Driftschicht 43 des Leitungstyps n, die einen hohen spezifischen Widerstand aufweist, derart ausgebildet, daß er sich ausgehend von einer der beiden sich gegenüberliegenden Hauptflächen bzw. Grenzflächen der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 43 in diese erstreckt. Basiszonen 44 des Leitungstyps p sind an den sich gegenüberliegenden Seiten des Grabens 40 ausgebildet, und es sind in den Oberflächenschichten bzw. in den oberen Bereichen der Basiszonen 44 des Leitungstyps p Sourcezonen 46 des Leitungstyps n derart ausgebildet, daß die den Leitungstyp p aufweisenden Basiszonen 44 und die den Leitungstyp n aufweisenden Sourcezonen 46 an der inneren Wand (Innenwand) des Grabens 40 freigelegt sind bzw. bis zu dessen Innenwand reichen. Das Innere des Grabens 40 ist mit einer Gateelektrodenschicht 48 aufgefüllt, die aus polykristallinem Silizium besteht, wobei ein Gateoxidfilm 47 einen Freiraum bzw. Zwischenraum zwischen der inneren Wand des Grabens 40 und der Gateelektrodenschicht 48 füllt. Somit liegt ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate und einem Kanal des Leitungstyps n vor. Das offene Ende des Grabens 40 ist mit einem isolierenden Film 51 bedeckt, der aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG) hergestellt ist. Kontaktlöcher sind derart ausgebildet, daß eine Sourceelektrode 49 sowohl mit Oberflächen der Basiszonen 44 des Leitungstyps p als auch mit Oberflächen der Sourcezonen 46 des Leitungstyps n in Kontakt stehen, und daß eine nicht dargestellte Gateelektrode, die aus einem Metall besteht, mit der Gateelektrodenschicht 48 in Kontakt steht. Eine Drainelektrode 50 ist auf der Oberfläche einer den Leitungstyp p aufweisenden Drainschicht 41 ausgebildet. In vielen Fällen erstreckt sich die Sourceelektrode 49 über bzw. oberhalb der Gateelektrodenschicht 48, wobei der isolierende Film 51 zwischen der Sourceelektrode 49 und der Gateelektrodenschicht 48 angeordnet ist, wie dies aus 8 ersichtlich ist.
In gleichartiger Weise ist der Hilfstransistorabschnitt des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate mit einem Graben versehen, der mit einer Hilfsgateelektrodenschicht 58 (48) gefüllt ist. Hierbei ist ein Zwischenraum zwischen der inneren Wand des Grabens und der Gateelektrodenschicht 58 durch einen Hilfsgateoxidfilm 57 gefüllt. Der bipolare Transistor mit isoliertem Gate und dieser Ausgestaltung mit Grabengste läßt sich mit hoher Zellendichte herstellen und findet somit in verstärktem Maße als Leistungshalbleiterbauelement Verwendung. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine periphere Elektrode 52, die auf dem gleichen Potential wie die Drainelektrode 50 gehalten ist, mit der Hilfsgateelektrodenschicht 58 verbunden, wie dies auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate der Fall ist. Ferner ist eine Hilfssourceelektrode 59 mit einem Ende bzw. Anschluß der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Zenerdiodenanordnung 60 verbunden, und es ist eine Elektrode, die von dem anderen Ende bzw. Anschluß der Zenerdiodenanordnung 60 herausgeführt ist, an die Gateelektrodenschicht 48 des Haupttransistorabschnitts bzw. der Halbleiteranordnung 1 des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeschlossen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate arbeitet in der gleichen Weise wie der bipolare Transistor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn der Hilfstransistor des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate eingeschaltet wird, fließt dessen Strom durch die seriell geschaltete Zenerdiodenanordnung 60 und wird damit zu der Gateelektrodenschicht 48 der Halbleiteranordnung 1, d. h. des bipolaren Haupttransistorabschnitts gespeist, so daß der Haupttransistorabschnitt eingeschaltet wird. Da die Leitfähigkeit moduliert werden kann, wenn der Strom fließt, ist lediglich eine kleine Fläche erforderlich, damit eine große Strommenge bzw. Stromstärke fließen kann. Der Haupttransistorabschnitt des bipolaren Transistors kann daher rasch eingeschaltet werden, so daß sich als Ergebnis eine Erhöhung des Lawinenstroms einstellt.
9 zeigt eine Querschnittsansicht, in der ein Teil eines MOSFETs dargestellt ist, der eine als viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dienende Halbleitervorrichtung (Halbleiterbauelement) darstellt.
Der in 9 links dargestellte Bereich zeigt eine aktive Zone eines Hauptabschnitts 1 des MOSFETs, der die Schaltung des Stroms bewirkt. Der Aufbau dieser aktiven Zone ist im wesentlichen identisch wie der Aufbau eines bekannten MOSFETs. Hierbei sind voneinander getrennte Basiszonen 64 des Leitungstyps p in einem Oberflächenbereich einer Driftschicht 63 des Leitungstyps n, die hohen spezifischen Widerstand aufweist, an einer der beiden sich gegenüberliegenden Hauptflächen bzw. Grenzflächen der Driftschicht 63 ausgebildet. Sourcezonen 66 des Leitungstyps n sind in ausgewählten Bereichen der Oberflächenschichten der Basiszonen 64 des Leitungstyps p gebildet. Eine Pufferschicht 61 des Leitungstyps n⁺ ist an der anderen Hauptfläche bzw. Grenzfläche der Driftschicht 63 des Leitungstyps n ausgebildet. Eine Gateelektrodenschicht 68, die aus polykristallinem Silizium hergestellt ist, ist auf einem Gateoxidfilm 67 oberhalb von solchen Oberflächen bzw. Flächen der Basiszonen 64 des Leitungstyps p gebildet, die zwischen den Sourcezonen 66 des Leitungstyps n und der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 63 angeordnet sind. Die Oberfläche der Gateelektrodenschicht 68 ist mit einem isolierenden Film 71 bedeckt, der z. B. aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG) hergestellt ist. Weiterhin ist eine Hauptsourceelektrode 69 auf dem isolierenden Film 71 derart ausgebildet, daß die Elektrode 69 sowohl mit den Oberflächen der Basiszone 64 des Leitungstyps p als auch mit den Oberflächen der Sourcezone 64 des Leitungstyps n in Kontakt steht. Ein Kontaktloch ist durch die Sourceelektrode 69 hindurchgehend derart ausgebildet, daß eine nicht gezeigte Gateelektrode mit der Gateelektrodenschicht 68 in Kontakt steht. In vielen Fällen erstreckt sich die Sourceelektrode 69 oberhalb der Gateelektrodenschicht 68, wobei der isolierende Film 71 zwischen der Elektrode 69 und der Gateelektrodenschicht 68 eingefügt ist, wie dies in 9 dargestellt ist.
Der in 9 auf der rechten Seite dargestellte Abschnitt zeigt einen Querschnitt durch einen Hilfsabschnitt 2 des MOSFETs. Der Aufbau des Hilfsabschnitts 2 des MOSFETs ist nahezu identisch wie der Aufbau des Hauptabschnitts 1. Hilfsbasiszonen 74 des Leitungstyps p sind in einer Oberflächenschicht bzw. in der Oberseite der Driftschicht 63 des Leitungstyps n ausgebildet, wohingegen Hilfssourcezonen 76 des Leitungstyps n in ausgewählten Bereichen der Oberflächenschichten bzw. Oberflächenabschnitten der Hilfsbasiszonen 74 des Leitungstyps p ausgebildet sind. Eine Hilfsgateelektrodenschicht 78, die aus polykristallinem Silizium hergestellt ist, ist auf einem Hilfsgateoxidfilm 77 oberhalb solcher Flächen der Hilfsbasiszonen 74 des Leitungstyps p ausgebildet, die zwischen den Hilfssourcezonen 76 des Leitungstyps n und der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht 63 angeordnet sind. Es liegt somit ein MOSFET mit Kanal n vor. Die Oberfläche der Hilfsgateelektrodenschicht 78 ist mit einem isolierenden Film 71 bedeckt, der z. B. aus Bor-Phosphor-Quarzglas (BPSG) hergestellt ist. Auf dem isolierenden Film 71 ist eine Hilfssourceelektrode 79 angeordnet. Kontaktlöcher sind derart ausgebildet, daß die Hilfssourceelektrode 79 sowohl mit den Oberflächen der Hilfsbasiszone 74 des Leitungstyps p als auch mit den Oberflächen der Hilfssourcezonen 76 des Leitungstyps n in Kontakt stehen. Der an der anderen Seite der Driftschicht des Leitungstyps n vorhandene Aufbau ist identisch wie der Aufbau des Hauptabschnitts 1 des MOSFETs.
Zwischen dem Hauptabschnitt 1 und dem Hilfsabschnitt 2 des MOSFETs ist eine Zenerdiodenanordnung 80 vorhanden, die aus umgekehrt geschalteten Paaren von Zenerdioden bzw. mit umgekehrter Polarität miteinander verbundenen Zenerdioden besteht und die auf einem dicken Oxidfilm 73 ausgebildet ist, der auf der Driftschicht 63 des Leitungstyps n vorhanden ist.
Aus der in 9 gezeigten Querschnittsansicht ist ersichtlich, daß eine periphere Elektrode 72 mit der Hilfsgateelektrodenschicht 78 verbunden ist, und daß die Hilfssourceelektrode 79 an ein Ende bzw. einen Anschluß der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Zenerdiodenanordnung 80 angeschlossen ist. Eine Elektrode, die von dem anderen Ende der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Zenerdiodenanordnung 80 herausgeführt ist, ist mit der Gateelektrodenschicht 68 des Hauptabschnitts 1 des MOSFETs verbunden.
Im folgenden wird die Herstellung des MOSFETs (IGBT) des vierten Ausführungsbeispiels, das ein Bauelement der Klasse 60 V darstellt, näher beschrieben. Ein Wafer wird vorbereitet, indem die Driftschicht 23 des Leitungstyps n dadurch hergestellt wird, daß man auf einem aus Silizium des Leitungstyps n bestehenden Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 0,004 Ω·cm und einer Dicke von 350 μm eine Schicht des Leitungstyps n epitaktisch aufwachsen läßt, die einen spezifischen Widerstand von 0,5 Ω·cm und eine Dicke von ungefähr 7,5 μm aufweist. Der restliche Teil des Aufbaus kann durch nahezu die gleichen Verfahrensschritte wie diejenigen Prozeßschritte hergestellt werden, die zur Fabrikation eines bekannten MOSFETs benutzt werden, wobei lediglich einige kleinere Änderungen wie etwa die Verwendung von unterschiedlichen Mustern der Masken erforderlich sind. Die Haupt- und Hilfsbasiszonen 64 und 74 des Leitungstyps p und die den Leitungstyp p aufweisenden Zonen der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Zenerdiodenanordnung 80 werden durch Implantieren von Borionen und durch thermische Diffusion hergestellt. Die Haupt- und Hilfssourcezonen 66 und 76 des Leitungstyps n und die den Leitungstyp n aufweisenden Zonen der in Serienschaltung vorliegenden Zenerdiodenanordnung 80 werden durch Implantieren von Arsenionen oder Phosphorionen und durch thermische Diffusion ausgebildet. Die in Serienschaltung vorliegende Zenerdiodenanordnung 80 ist aus einer Schicht aus polykristallinem Silizium hergestellt, die mit Hilfe des gleichen, druckverringerten CVD-Verfahrens (chemische Dampfphasenabscheidung), das auch zur Ausbildung der Haupt- und Hilfsgateelektrodenschicht 68 und 78 eingesetzt wird, aufgebracht wird. Die Haupt- und Hilfsbasiszonen 64 und 74 des Leitungstyps p und die Haupt und Hilfssourcezonen 66 und 76 des Leitungstyps n werden dadurch ausgebildet, daß die Haupt- und Hilfsgateelektrodenschichten 68 und 78 als Teil der Masken verwendet werden, so daß die Ränder dieser Zonen 64, 74, 66 und 76 in geeigneter Weise positioniert werden. Die Breiten dieser Zonen werden durch die laterale (seitliche) Diffusion der jeweiligen Ionen bestimmt. Die Haupt- und Hilfssourceelektroden 69 und 79 und die Gateelektrode werden durch Sputtern einer Aluminiumlegierung und durch nachfolgende photolithographische Bearbeitung ausgebildet. Die Drainelektrode 70 wird durch Abscheiden von drei Schichten aus Ti, Ni und Au durch Aufsputtern ausgebildet, so daß die Drainelektrode 70 an ein metallisches Substrat angelötet werden kann.
Die Abmessungen der jeweiligen Elemente des Hauptabschnitts und des Hilfsabschnitts des MOSFETs können z. B. in der folgenden Weise festgelegt werden. Die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfsbasiszone 64 des Leitungstyps p beträgt 3 μm, während die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfskontaktzonen 65 und 75 des Leitungstyps p⁺ bei 0,6 μm liegt. Die Diffusionstiefe der Haupt- und Hilfssourcezonen 66 und 76 des Leitungstyps n beträgt 0,3 μm. Die Haupt- und Hilfsgateisolierfilme 67 und 77 weisen eine Dicke von 25 nm auf, wohingegen die Gateelektrodenschichten 68 und 78, die aus polykristallinem Silizium hergestellt sind, und der isolierende Film 71 eine Dicke von 1 μm aufweisen. Die Haupt- und Hilfssourceelektroden 69 und 79 weisen eine Dicke von ungefähr 5 μm auf.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen, als MOSFET ausgelegten, vierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Hauptsourceelektrode 69 ist geerdet bzw. auf Massepotential gelegt, und es ist die Drainelektrode 70 über eine induktive Last an eine Spannungsversorgung angeschlossen. Wenn der MOSFET von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird, d. h. wenn der MOSFET abgeschaltet wird, erhöht sich die Spannung, die an der Drainelektrode 70 auftritt, aufgrund der in einer Induktivität (Spule) gespeicherten Energie, wie dies bereits vorstehend erläutert ist. Hierbei wird die Spannung, die an die Drainelektrode 70 angelegt ist, auch an die Hilfsgateelektrodenschicht 78 des Hilfsabschnitts des MOSFETs über die periphere Elektrode 72 angelegt. Auf der anderen Seite wird die Hilfssourceelektrode 79 des Hilfsabschnitts des MOSFETs auf einer Spannung gehalten, die so hoch bzw. maximal so hoch ist wie diejenige Spannung, die durch die Klemmspannung der durch die seriell geschalteten Zenerdioden gebildeten Zenerdiodenanordnung 80 definiert ist. Falls der Unterschied zwischen dieser Spannung und der am Kollektor vorhandenen Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Hilfsabschnitt des MOSFET (Hilfs-MOSFET) eingeschaltet. Wenn dieser Hilfsabschnitt des MOSFETs eingeschaltet wird, fließt sein Strom durch die Serienschaltung der Zenerdiodenanordnung 80 und wird zu der Gateelektrodenschicht 68 des Hauptabschnitts des MOSFETs gespeist, wodurch der MOSFET-Hauptabschnitt eingeschaltet wird. Die in der Induktivität gespeicherte Energie kann somit auf diese Weise abgebaut werden.
Bei dem vorstehend erläuterten vierten Ausführungsbeispiel des MOSFETs wird der Strom, der durch den Hilfsabschnitt des MOSFETs (IGBT) fließt, zu der Gateelektrodenschicht 68 des Hauptabschnitts des MOSFETs gespeist, so daß das Bauelement geschützt wird, wenn eine übermäßige Spannung angelegt wird. Der MOSFET kann daher zuverlässig gegenüber übermäßig hohen, an ihn angelegten Spannungen geschützt werden, wodurch ein vergrößerter Lawinenstrom und/oder eine verbesserte Fähigkeit, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können, gewährleistet werden.
Wie in 9 gezeigt ist, enthält der dicke Oxidfilm 73 einen dünnen Abschnitt 73a, bei dem die Dicke des Oxidfilms 73 verringert ist, derart, daß ein entsprechender Abschnitt der Hilfsgateelektrodenschicht 78 näher bei der Oberfläche des aus Silizium bestehenden Substrats liegt. Der dünne Abschnitt 73a dient dazu, das Auftreten einer Inversionsschicht in der Nähe der Oberfläche des Siliziumsubstrats unterhalb des dicken Oxidfilms 73 zu verhindern, und einen Stromfluß von den Hilfsbasiszonen 74 des Leitungstyps p und der den Leitungstyp p aufweisenden peripheren Zone 72a zu den Basiszonen 64 des Hauptabschnitts des MOSFETs oder bipolaren Transistors zu verhindern.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des MOSFETs gemäß dem vorliegenden, vierten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die den Leitungstyp n aufweisende Driftschicht 63 mit einer Dicke von 7,5 μm ausgebildet ist.
In 10 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die die Beziehung zwischen dem Lawinenstrom und der Dicke der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht veranschaulicht. Auf der horizontalen Achse ist die Dicke der Driftschicht des Leitungstyps n aufgetragen, während die vertikale Achse den Lawinenstrom je Flächeneinheit repräsentiert. Der Lawinenstrom vergrößert sich, wenn sich die Dicke der Driftschicht bzw. Pufferschicht des Leitungstyps n vergrößert, besitzt aber die Tendenz, in die Sättigung zu gelangen, nachdem die Dicke ungefähr 7 μm erreicht. Die horizontale Achse kann auch so betrachtet werden, als würde sie die Änderungen derjenigen Dicke bzw. desjenigen Bereichs der Driftschicht des Leitungstyps n angeben, die bzw. der noch nicht verarmt ist, d. h. als würde sie die Dicke einer Lastschicht bzw. Ballastwiderstandsschicht repräsentieren, wie dies oberhalb des Schaubilds angegeben ist.
Bei dem MOSFET gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, der zur Klasse 60 V (für Spannungen bis 60 V ausgelegter Typ) zählt, erstreckt sich die Verarmungsschicht bei einer Spannung von 60 V nach unten bis zu einer Tiefe von ungefähr 3 μm, wenn der spezifische Widerstand der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht gleich 0,5 Ω·cm ist. Da die Diffusionstiefe der Basiszone des Leitungstyps p gleich 3 μm ist, ist nahezu der gesamte Abschnitt der Driftschicht des Leitungstyps n verarmt, falls die den Leitungstyp n aufweisende Driftschicht, die einen recht kleinen Lawinenstrom aufweist, bzw. führt, eine Dicke von 6 μm besitzt. Falls ein Abschnitt der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht, der noch nicht verarmt ist, eine Dicke von 1 μm oder mehr aufweist, ist demgegenüber sichergestellt, daß der MOSFET einen ausreichend hohen Lawinenstrom zeigt bzw. aufweist und mit hoher Stabilität arbeitet.
Der Lawinenstrom erhöht sich bei einer Zunahme der Dicke der Driftschicht des Leitungstyps n, da derjenige Abschnitt der den Leitungstyp n aufweisenden Driftschicht, der noch nicht verarmt ist, d. h. anders ausgedrückt die Ballastschicht oder Ballastwiderstandsschicht einen hohen Widerstandswert bereitstellt und die Funktion der Mittelung des Stroms ausübt, der durch das gesamte Bauelement fließt.
Der Widerstand (spezifische Widerstand) der Ballastschicht, d. h. der hohen Widerstand aufweisenden Schicht, wird so festgelegt, daß er im wesentlichen gleich groß wie oder kleiner als der spezifische Widerstand der Driftschicht des Leitungstyps n ist, jedoch größer ist als beispielsweise ein Zehntel des Widerstands der Driftschicht des Leitungstyps n. Damit ein ausreichend hoher Lawinenstrom erzielt wird, wird die Dicke der hohen Widerstand zeigenden Ballastschicht, die bei Auftreten eines Lawinendurchbruchs noch nicht verarmt ist, so festgelegt, daß sie gleich 0,5 μm oder größer ist.
Anhand von jüngeren Experimenten konnte bestätigt werden, daß der vorstehend genannte Effekt dadurch erzielt werden kann, daß die Dicke der hohen Widerstand zeigenden Ballastschicht auf 0,5 μm oder mehr festgelegt wird, wobei dieser Effekt nicht nur bei einem MOS-Halbleiterbauelement auftritt, das wie bei den dargestellten Ausführungsbeispielen eine in Serienschaltung vorliegende Zenerdiodenanordnung aufweist, sondern sich auch bei anderen MOS-Halbleiterbauelementen zeigt, die nicht mit einer Zenerdiodenanordnung versehen sind.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen kommt die vorliegende Erfindung bei einem vertikalen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate und einem vertikalen MOSFET zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch bei anderen Arten von mit isoliertem Gate versehenen Thyristoren oder Transistoren usw. einsetzbar. Weiterhin kann eine Mehrzahl der Merkmale der vorliegenden Erfindung auch bei einem einzelnen, in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleiterbauelement, d. h. einem Bauelement ohne Hilfsabschnitt, eingesetzt werden, wobei auch ein solches Bauelement sehr gute bzw. verbesserte Eigenschaften aufgrund der kombinierten Wirkungen dieser Merkmale zeigt.
Wie vorstehend erläutert, sind bei der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden, eine hohe Durchbruchspannung aufweisenden Halbleitervorrichtung in MOS-Ausführungsform eine erste MOS-Halbleiteranordnung, durch die ein erster Strom fließt, und eine zweite MOS-Halbleiteranordnung, durch die ein zweiter Strom, der kleiner ist als der erste Strom, fließt und die im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die erste MOS-Halbleiteranordnung aufweist, in dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet. Die erste und die zweite MOS-Halbleiteranordnung verfügen über eine gemeinsame Drainelektrode, und es ist die Gateelektrode der zweiten MOS-Halbleiteranordnung mit der Drainelektrode verbunden. Diese Halbleitervorrichtung enthält ferner eine Mehrzahl von umgekehrt bzw. mit gleicher Polarität miteinander verbundenen Paaren von Zenerdioden, die in Reihe geschaltet sind. Diese Zenerdiodenanordnung ist zwischen der Sourceelektrode der zweiten MOS-Halbleiteranordnung und der Gateelektrode der ersten MOS-Halbleiteranordnung vorgesehen. Wenn eine übermäßige Spannung zwischen der Drainelektrode und der Gateelektrode der ersten MOS-Halbleiteranordnung angelegt ist, wird die zweite MOS-Halbleiteranordnung eingeschaltet und es wird der Strom zu der Gateelektrode der ersten MOS-Halbleiteranordnung über die Zenerdiodenanordnung gespeist, so daß die erste MOS-Halbleiteranordnung eingeschaltet wird. Hierdurch kann der Lawinenstrom der MOS-Halbleitervorrichtung bzw. des MOS-Halbleiterbauelements (MOS-Halbleiteranordnung) beträchtlich vergrößert werden.
Falls zwei mit umgekehrter Polarität miteinander verbundene Zenerdioden oder ein Widerstand zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode der ersten MOS-Halbleiteranordnung vorgesehen sind, kann das Bauelement auch dann geschützt sein, wenn eine übermäßige Spannung angelegt wird, oder wenn die Gateelektrode nicht angeschlossen bzw. unterbrochen ist.
Die in MOS-Ausführungsform vorliegende Halbleitervorrichtung kann in der Form eines planaren bzw. ebenen Typs oder eines mit Grabengste (Trench-Gate) versehenen Typs eines vertikalen MOSFETs oder bipolaren Transistors mit isoliertem Gate ausgebildet sein.
Speziell bei einem vertikalen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate ist vorzugsweise eine Ballastwiderstandsschicht, die einen Abschnitt mit einem spezifischen Widerstand von 0,05 bis 1 Ω·cm und einer Dicke von ungefähr 30 μm bis 80 μm enthält, zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht vorgesehen, wodurch sich der Lawinenstrom erheblich vergrößern kann, wie dies bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert ist.
Bei einem vertikalen MOSFET ist vorzugsweise eine Ballastwiderstandsschicht zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht und der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Drainschicht vorgesehen. Die Ballastwiderstandsschicht stellt eine Zone bereit, die selbst dann nicht verarmt ist, wenn ein Lawinendurchbruch bei dem Anlegen einer hohen Spannung an der in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleitervorrichtung auftritt, wenn sich dieses in dem ausgeschalteten Zustand befindet oder in diesen versetzt wird, und weist weiterhin einen (spezifischen) Widerstandswert auf, der im wesentlichen gleich groß wie oder kleiner als der Widerstandswert der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht ist, jedoch größer ist als ein Zehntel des Widerstandswerts der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht. Die Dicke der Ballastwiderstandsschicht beträgt mindestens ungefähr 1 μm. Wenn die Ballastwiderstandsschicht in dieser Weise vorgesehen ist, läßt sich der Lawinenstrom beträchtlich erhöhen.
In der letzten Zeit sind in MOS-Ausführungsform vorliegende Halbleiterbauelemente, die als Schaltelemente in einer Schaltschaltung eingesetzt werden, einer erhöhten Gefahr ausgesetzt, daß auf sie starke Belastungen einwirken, die durch Stoßspannungen oder dergleichen hervorgerufen werden. Dies liegt an der vereinfachten Konfiguration der Schaltschaltung, die z. B. keine Snubberschaltung enthält, und an der Verringerung der Größe des Halbleiterbauelements. Die vorliegende Erfindung bietet für diese Situation einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung der Fähigkeit des Bauelements, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können.
Die MOS-Halbleitervorrichtung mit hoher Durchbruchsspannung gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere zum Betrieb elektromagnetischer Ventile und Motoren, aber auch für Schaltnetzteile mit Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler. Ein IGBT gemäß der Erfindung eignet sich speziell auch als Hauptschaltvorrichtung für Zündspulen in Automobilen unter schwierigen Umgebungsbedingungen.

Claims

MOS-Halbleitervorrichtung mit einer ersten MOS-Halbleiteranordnung (1), die eine Sourceelektrode (S), eine Drainelektrode (D) und eine Gateelektrode (G) enthält, und einer Mehrzahl von Zenerdioden (5), die in Reihe geschaltet sind und die zwischen der Sourceelektrode (S) der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) und deren Gateelektrode (G) angeordnet sind, und eine zweite MOS-Halbleiteranordnung (2), die zusammen mit der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) den gleichen Aufbau wie die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) besitzt und eine Sourceelektrode und eine Gateelektrode enthält, wobei die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) und die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) eine gemeinsame Drainelektrode (D) aufweisen, die Gateelektrode der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) und die gemeinsame Drainelektrode (D) kurzgeschlossen sind, die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) für einen ersten Strom und die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) für einen zweiten Strom, der kleiner ist als der erste Strom, ausgelegt sind, und eine Reihenschaltung aus mehreren Paaren von Zenerdioden (3) zwischen der Sourceelektrode der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) und der Gateelektrode (G) der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) angeordnet sind, wobei die Zenerdioden (3) jedes Paares einander entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (6) zwischen der Gateelektrode (G) und der Sourceelektrode (S) der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) vorgesehen ist.
MOS-Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) als auch die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) jeweils einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate enthalten.
MOS-Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste MOS-Halbleiteranordnung (1) und die zweite MOS-Halbleiteranordnung (2) jeweils aufweisen: eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind, eine einen ersten Leitungstyp aufweisende Driftschicht (23), eine einen zweiten Leitungstyp aufweisende Basiszone (24), die in einem Oberflächenbereich der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (23) auf der der ersten Hauptfläche entsprechenden Seite ausgebildet ist, eine den ersten Leitungstyp aufweisende Sourcezone (26), die von der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (23) beabstandet ausgebildet ist, wobei die Basiszone (24) zwischen der Sourcezone (26) und der Driftschicht (23) angeordnet ist, eine Gateelektrodenschicht (28), die auf einem Gateisolierfilm (27) oberhalb einer Fläche der den zweiten Leitungstyp aufweisenden Basiszone (24), die zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Sourcezone (26) und der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (23) eingefügt ist, ausgebildet ist, eine Sourceelektrode (29), die so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der Sourcezone (26) als auch mit der Basiszone (24) in Kontakt steht, eine Drainschicht (21), die an einer auf der Seite der zweiten Hauptfläche liegenden Oberfläche der Driftschicht (23) ausgebildet ist, eine Drainelektrode (30), die an der zweiten Hauptfläche so ausgebildet ist, daß sie mit der Drainschicht (21) in Kontakt steht, und eine Gateelektrode (4), die so ausgebildet ist, daß sie mit der Gateelektrodenschicht (28) in Kontakt steht.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dicker Feldisolierfilm (33) vorhanden ist, der auf der ersten Hauptfläche zwischen der ersten MOS-Halbleiteranordnung (1) und der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) angeordnet ist, daß ein Teil der Gateelektrodenschicht (38) der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) sich über den Feldisolierfilm (33) hinweg erstreckt, daß der Feldisolierfilm (33) einen eine kleine Dicke aufweisenden Abschnitt (33a) enthält, dessen Dicke kleiner ist als diejenige des Feldisolierfilms (33), der zwischen der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (23) und der Gateelektrodenschicht (38) der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) ausgebildet ist, die um die den zweiten Leitungstyp aufweisende Basiszone der zweiten MOS-Halbleiteranordnung (2) herum angeordnet sind.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die kleine Dicke aufweisende Abschnitt (33a) des Feldisolierfilms (33) die gleiche Dicke wie der Gateisolierfilm aufweist.
MOS-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste als auch die zweite MOS-Halbleiteranordnung (1, 2) jeweils aufweisen: eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche, die in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind, eine Driftschicht (43), die einen ersten Leitungstyp aufweist und einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, eine Basiszone (44, 54), die einen zweiten Leitungstyp aufweist und in einem Oberflächenbereich der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (43) auf der bei der ersten Hauptfläche liegenden Seite ausgebildet ist, eine Sourcezone (46, 56), die den ersten Leitungstyp aufweist und von der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (43) beabstandet ausgebildet ist, wobei die Basiszone (44, 54) zwischen der Sourcezone (46, 56) und der Driftschicht (43) angeordnet ist, einen Graben (40), der in der den ersten Leitungstyp aufweisenden Driftschicht (43) derart ausgebildet ist, daß die Sourcezone (46, 56) an einer Innenwand des Grabens (40) freiliegt oder endet, wobei der Graben (40) eine Tiefe aufweist, die größer ist als diejenige der Basiszone (44, 54), eine Gateelektrodenschicht (48, 58), die in dem Graben angeordnet ist, wobei ein Gateisolierfilm (47, 57) einen zwischen der Gateelektrodenschicht (48, 58) und der Innenwand des Grabens (40) liegenden Raum ausfüllt, eine Drainschicht (41), die auf einer Oberfläche der Driftschicht (43) auf der Seite der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist; eine Drainelektrode (50), die an der zweiten Hauptfläche so ausgebildet ist, daß sie mit einer Oberfläche der Drainschicht (41) in Kontakt steht, und eine Gateelektrode, die in Kontakt mit der Gateelektrodenschicht (48, 58) steht.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dicker Feldisolierfilm (53) an der ersten Hauptfläche zwischen der ersten MOS-Halbleiteranordnung und der zweiten MOS-Halbleiteranordnung angeordnet ist, daß ein Teil der Gateelektrodenschicht (58) der zweiten MOS-Halbleiteranordnung sich über den Feldisolierfilm (53) hinweg erstreckt, daß der Feldisolierfilm (53) einen mit kleiner Dicke versehenen Abschnitt (53a) aufweist, dessen Dicke kleiner ist als die Dicke des Feldisolierfilms (53), der zwischen der Driftschicht (43) und der Gateelektrodenschicht (58) der zweiten MOS-Halbleiteranordnung ausgebildet ist, die ihrerseits so angeordnet sind, daß sie die Basiszone (54) der zweiten MOS-Halbleiteranordnung umgeben.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit kleiner Dicke versehene Abschnitt (53a) des Feldisolierfilms (53) die gleiche Dicke wie der Gateisolierfilm (57) besitzt.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftschicht einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, die Drainschicht den zweiten Leitungstyp aufweist, und eine Ballastwiderstandsschicht zwischen der Driftschicht und der Drainschicht angeordnet ist und einen Abschnitt enthält, der einen spezifischen Widerstand im Bereich von 0,05 bis 1 Ω·cm und eine Dicke im Bereich von ungefähr 30 μm bis 80 μm aufweist.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelektrode so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der Sourcezone als auch mit der Basiszone in Kontakt steht, die Drainschicht den zweiten Leitungstyp aufweist, und eine Ballastwiderstandsschicht zwischen der Driftschicht und der Drainschicht angeordnet ist und einen Abschnitt aufweist, der einen spezifischen Widerstand in einem Bereich von 0,05 bis 1 Ω·cm und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 30 μm bis 80 μm aufweist.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der Ballastwiderstandsschicht in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 Ω·cm liegt.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballastwiderstandsschicht den ersten Leitungstyp aufweist.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballastwiderstandsschicht einen ersten Abschnitt, der den ersten Leitungstyp aufweist und mit der den ersten Leitungstyp besitzenden Driftschicht in Kontakt steht, und einen zweiten Abschnitt enthält, der den zweiten Leitungstyp aufweist und mit der den zweiten Leitungstyp besitzenden Drainschicht in Kontakt steht.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Driftschicht einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, die Drainschicht den ersten Leitungstyp aufweist und einen kleineren spezifischen Widerstand als die Driftschicht aufweist, und eine Ballastwiderstandsschicht, die den ersten Leitungstyp aufweist, zwischen der Driftschicht und der Drainschicht angeordnet ist, wobei die Ballastwiderstandsschicht eine Zone bereitstellt, die nicht verarmt wird, wenn ein Lawinendurchbruch bei dem Anlegen einer hohen Spannung an die MOS-Halbleitervorrichtung, die in den ausgeschalteten Zustand versetzt ist oder wird, auftritt, wobei die Ballastwiderstandsschicht einen spezifischen Widerstand besitzt, der gleich groß wie oder kleiner als der spezifische Widerstand der Driftschicht ist und der größer ist als ein Zehntel des spezifischen Widerstands. der Driftschicht, und wobei die Dicke der Ballastwiderstandsschicht mindestens ungefähr 1 μm beträgt.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelektrode, die so ausgebildet ist, daß sie sowohl mit der Sourcezone als auch mit der Basiszone in Kontakt steht, die Drainschicht den ersten Leitungstyp aufweist und einen kleineren spezifischen Widerstand als die Driftschicht besitzt, und eine Ballastwiderstandsschicht, die den ersten Leitungstyp aufweist, zwischen der Driftschicht und der Drainschicht angeordnet ist, wobei die Ballastwiderstandsschicht eine Zone bereitstellt, die nicht verarmt wird, wenn ein Lawinendurchbruch bei dem Anliegen einer hohen Spannung an der MOS-Halbleitervorrichtung, die in einen ausgeschalteten Zustand versetzt ist, auftritt, wobei die Ballastwiderstandsschicht einen spezifischen Widerstand aufweist, der gleich groß wie oder kleiner als der spezifische Widerstand der Driftschicht und größer als ein Zehntel dieses spezifischen Widerstands der Driftschicht ist, und wobei die Dicke der Ballastwiderstandsschicht mindestens ungefähr 1 μm beträgt.
MOS-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Ballastwiderstandsschicht nicht größer ist als die Hälfte der Dicke der Driftschicht.