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Dokumentenidentifikation DE102006060384B4 19.03.2009
Titel Halbleitervorrichtung mit Super-Junction-Struktur
Anmelder Denso Corp., Kariya-shi, Aichi-ken, JP
Erfinder Yamauchi, Shoichi, Kariya, Aichi, JP;
Yamaguchi, Hitoshi, Kariya, Aichi, JP;
Hattori, Yoshiyuki, Kariya, Aichi, JP;
Okada, Kyoko, Kariya, Aichi, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 20.12.2006
DE-Aktenzeichen 102006060384
Offenlegungstag 05.07.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse H01L 29/06  (2006.01)  A,  F,  I,  20081001,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse H01L 29/78  (2006.01)  A,  L,  I,  20081001,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Super-Junction-Struktur.

Um eine Durchbruchspannung zu erhöhen, ist eine Halbleitervorrichtung beschrieben, welche einen Bereich (d. h. einen Driftbereich) hat, der eine niedrige Verunreinigungskonzentration hat.

Unter Verwendung des Driftbereichs wird die Durchbruchspannung der Vorrichtung erhöht. Jedoch wird der Einschaltwiderstand der Vorrichtung ebenfalls erhöht. Folglich wird gefordert, die Durchbruchspannung zusammen mit einer Verringerung des Einschaltwiderstands zu erhöhen. Angesichts dieser Anforderung wird eine Super-Junction-Struktur vorgeschlagen. Die Super-Junction-Struktur hat einen ersten Bereich mit einem ersten N-Leitfähigen Verunreinigungstyp und einen zweiten Bereich mit einem zweiten N-Leitfähigen Verunreinigungstyp. Der erste Bereich erstreckt sich entlang einer Richtung, welche ein Paar von Hauptelektroden verbindet. Der zweite Bereich erstreckt sich parallel zum ersten Bereich. Der erste Leitfähigkeitstyp im ersten Bereich ist gleich einem Leitfähigkeitstyp eines Ladungsträgers, der sich zwischen den Hauptelektroden bewegt. Bei der Super-Junction-Struktur wird eine Kombination der ersten und zweiten Bereiche in der Ebene wiederholt, auf der sich die Hauptelektroden ausdehnen. In der Ebene ist der erste Bereich zwischen zwei der zweiten Bereiche eingeschlossen und der zweite Bereich ist zwischen zwei der ersten Bereiche eingeschlossen.

11 zeigt einen Einschaltwiderstand einer Halbleitervorrichtung, wie sie in "ISPSD Proceedings" 2005, Seiten 35–38 beschrieben ist. Eine vertikale Achse gibt den Einschaltwiderstand wieder und eine horizontale Achse eine Temperatur der Vorrichtung. Eine Kurve 62 in 11 stellt den Einschaltwiderstand für den Fall dar, wo ein Zellenabstand eines Halbleiterelements 6 &mgr;m beträgt und eine Kurve 64 stellt den Einschaltwiderstand für den Fall dar, wo ein Zellenabstand eines Halbleiterelements 6,2 &mgr;m beträgt. Der Einschaltwiderstand der Kurve 64 ist kleiner als derjenige der Kurve 62. Um somit den Einschaltwiderstand zu verringern, ist es bevorzugt, dass die Breite des ersten Bereichs, der zwischen den zweiten Bereichen eingeschlossen ist, größer wird.

Wie jedoch in 11 gezeigt, ändert sich der Einschaltwiderstand der Vorrichtung zusammen mit einer Temperaturänderung. Um den Einschaltwiderstand zu verringern, wird die Vorrichtung gekühlt, so dass die Betriebstemperatur der Vorrichtung konstant wird.

Genauer gesagt, wenn die Vorrichtung elektrische Leistung zu schalten hat, erzeugt die Vorrichtung Wärme. Allgemein ist es bevorzugt, dass die Betriebstemperatur der Vorrichtung in einem Bereich zwischen Raumtemperatur (d. h. 27°C) und 150°C gelegt wird. Bei der obigen Vorrichtung mit dem Driftbereich wird, wenn der Einschaltwiderstand bei 27°C als R1 definiert wird und der Einschaltwiderstand bei 150°C als R2 definiert wird, ein Verhältnis zwischen R2 und R1 gleich oder größer als 1.8. Wenn die Vorrichtung mit dem Verhältnis von R2/R1 gleich oder größer als 1.8 für eine Leistungsschaltvorrichtung verwendet wird, ist eine Hochleistungskühlausstattung notwendig, um die Vorrichtung zu kühlen und die Betriebstemperatur in einem schmalen Bereich, beispielsweise dem Bereich zwischen 27°C und 150°C zu halten. Die Kühlausstattung hat eine Wärmeabstrahlungsplatte und einen Kühlwasserdurchlass, beide mit komplizierter Formgebung.

Es ist somit notwendig, die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur zu verringern. Genauer gesagt, es ist notwendig, das Verhältnis von R2/R1 gleich oder kleiner als 1.8 zu machen. In diesem Fall kann die geforderte Kühlleistung der Kühlausstattung für die Vorrichtung verringert werden. Somit wird die Kühlausstattung verkleinert und vereinfacht, sodass die Abmessungen der Vorrichtung verringert werden.

Angesichts des obigen Problems ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung mit einer Super-Junction-Struktur zu schaffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung auf: ein Paar von Hauptelektroden zur Führung eines Ladungsträgers mit einem ersten Leitfähigkeitstyp zwischen sich; eine Mehrzahl erster Bereiche des ersten Leitfähigkeitstyps, die sich entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken, welche parallel zu einer Richtung ist, welche das Paar von Hauptelektroden verbindet; und eine Mehrzahl zweiter Bereiche mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die sich entlang der Erstreckungsrichtung erstrecken. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche wiederholen sich abwechselnd entlang einer Wiederholrichtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung, sodass jeder erste Bereich zwischen zwei der zweiten Bereiche eingeschlossen ist und jeder zweite Bereich zwischen zwei der ersten Bereiche eingeschlossen ist. Der erste Bereich hat eine erste Verunreinigungskonzentration und eine erste Breite, welche entlang der Wiederholrichtung gemessen wird. Der zweite Bereich hat eine zweite Verunreinigungskonzentration und eine zweite Breite, welche entlang der Wiederholrichtung gemessen wird. Ein Produkt aus erster Verunreinigungskonzentration und erster Breite ist gleich einem Produkt aus zweiter Verunreinigungskonzentration und zweiter Breite. Die erste Breite ist gleich oder kleiner als 4,5 &mgr;m. Die erste Verunreinigungskonzentration ist niedriger als eine bestimmte Verunreinigungskonzentration, welche eine RESURF-Bedingung erfüllt. Die Vorrichtung hat einen Einschaltwiderstand bei 27°C, der als R1 definiert ist und einen weiteren Einschaltwiderstand bei 150°C, der als R2 definiert ist. Ein Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand R2 und dem Einschaltwiderstand R1 ist kleiner als 1.8.

Bei der obigen Vorrichtung ist der Einschaltwiderstand vergleichsweise niedrig, die Durchbruchspannung ist vergleichsweise hoch und die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich (oder abhängig von) der Temperatur ist gering.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Es zeigt:

1 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung mit einer Super-Junction-Struktur;

2 eine Grafik einer Beziehung zwischen einer Breite einer Spalte und einer Verunreinigungskonzentration der Spalte in der Super-Junction-Struktur;

3 eine Grafik einer Beziehung zwischen der Breite der Spalte und einem Einschaltwiderstand;

4 eine Schnittdarstellung durch eine Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik;

5 eine Grafik einer Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich (oder abhängig von) der Temperatur bei der Vorrichtung gemäß des Standes der Technik;

6 eine Grafik einer Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur in der Halbleitervorrichtung mit der Super-Junction-Struktur;

7 eine Grafik einer Raumladungsdichte bei 27°C, wenn die Verunreinigungskonzentration einer Spalte des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt;

8 eine Grafik einer Raumladungsdichte bei 150°C, wenn die Verunreinigungskonzentration einer Spalte des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt;

9 eine Grafik einer Raumladungsdichte bei 27°C, wenn die Verunreinigungskonzentration einer Spalte des N-Leitfähigkeitstyps 1.4 × 1016 cm–3 beträgt;

10 eine Grafik einer Raumladungsdichte bei 150°C, wenn die Verunreinigungskonzentration einer Spalte des N-Leitfähigkeitstyps 1.4 × 1016 cm–3 beträgt; und

11 eine Grafik einer Beziehung zwischen einem Einschaltwiderstand und einer Temperatur in einer Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik.

Die Erfinder haben Super-Junction-Strukturen und deren Einschaltwiderstand studiert, der abhängig von der Temperatur änderbar ist. Zunächst wurde ein MOSFET mit einer Super-Junction-Struktur untersucht. In 4 enthält ein MOSFET 110 nach dem Stand der Technik eine Drainschicht 112 des N+-Leitfähigkeitstyps und eine Driftschicht 132. Die Driftschicht 132 ist auf einer Oberfläche der Drainschicht 112 angeordnet. Eine Körperschicht 124 des P-Leitfähigkeitstyps ist auf einer Oberfläche der Driftschicht 132 ausgebildet. Ein Sourcebereich 126 de N+-Leitfähigkeitstyps und ein Körperkontaktbereich 128 des P+-Typs sind auf einer Oberfläche der Körperschicht 124 ausgebildet. Die Körperschicht 124 trennt den Sourcebereich 126 von der Driftschicht 132. Eine Grabengateelektrode 120 ist so ausgebildet, dass sie die Körperschicht 124 durchdringt. Die Grabengateelektrode 120 ist von der Körperschicht 124 durch einen Isolationsfilm 118 elektrisch isoliert.

In 1 enthält ein MOSFET 10 mit einer Super-Junction-Struktur 30 eine Mehrzahl von Spalten 32a des P-Leitfähigkeitstyps und von Spalten 32b des N-Leitfähigkeitstyps, welche sich abwechselnd wiederholen. Die Super-Junction-Struktur 30 liefert eine Driftschicht.

Eine Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich (oder abhängig von) der Temperatur im MOSFET 10 ist in 6 gezeigt. In 6 ist der Einschaltwiderstand des MOSFET 10 bei 27°C ein Referenzwiderstand. Die Änderungsrate des Einschaltwiderstandes ist hierbei wie folgt definiert: (ÄNDERUNGSRATE) = R2/R1(F1)

In der Formel F1 stellt R1 den Einschaltwiderstand des MOSFET 10 bei 27°C dar und R2 stellt den Einschaltwiderstand bei einer gegebenen Temperatur dar. In 6 gibt eine vertikale Achse die Änderungsrate des Einschaltwiderstands wieder und eine horizontale Achse die Temperatur der Vorrichtung. Eine Kurve 42 stellt die Änderungsrate des Einschaltwiderstands für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt, eine Kurve 44 stellt die Änderungsrate für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b 1 × 1016 cm–3 beträgt, und eine Kurve 46 stellt die Änderungsrate für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b 1 × 1017 cm–3 beträgt. Die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ist 1.4 &mgr;m und die Breite der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps ist 1.2 &mgr;m. Ein Kurve 48 wird später noch erläutert.

Aus einem Vergleich der Kurven 44 und 46 ergibt sich, dass die Veränderungsrate des Einschaltwiderstands gegenüber der Temperatur klein wird, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps zunimmt.

5 zeigt die Änderungsrate des Einschaltwiderstands des MOSFET 110 als einen Vergleich in einem Temperaturbereich zwischen 27°C und 150°C, wenn der Einschaltwiderstand bei 27°C ein Referenzwiderstand ist. Eine Kurve 142 stellt die Änderungsrate des Einschaltwiderstands für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt, eine Kurve 144 stellt die Änderungsrate für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht 1 × 1016 cm–3 beträgt und eine Kurve 146 stellt die Änderungsrate für den Fall dar, dass die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht 1 × 1017 cm–3 beträgt.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht des N-Leitfähigkeitstyps höher wird, wird die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperaturänderung kleiner. Im MOSFET 110 wird ein Teil des Einschaltwiderstandes von einem Driftwiderstand geliefert, wobei dieser Teil gleich oder größer als 90% ist. Somit hängt der Einschaltwiderstand des MOSFET 110 von der Mobilität von Elektronen in der Driftschicht 132 des N-Leitfähigkeitstyps ab. Die Mobilität von Elektronen wird hierbei anhand einer Gitterstreuung (lattice scattering) und Verunreinigungsstreuung (impurity scattering) bestimmt. Die Gitterstreuung ist proportional zur Temperatur, so dass die Gitterstreuung „heiß" wird, wenn die Temperatur hoch wird. Jedoch hängt die Verunreinigungsstreuung nicht von einem Temperaturanstieg ab. Wenn die Temperatur ansteigt, wird die Gitterstreuung heiß und damit wird die Elektronenmobilität verringert. Der der Gitterstreuung zuzuschreibende Widerstand wird größer, wenn die Temperatur zunimmt. Andererseits ist der Widerstand der der Verunreinigungsstreuung zuzuschreiben ist, bezüglich der Temperaturänderung konstant.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Driftschicht 132 des N-Leitfähigkeitstyps niedrig ist, überwiegt der Widerstand, der der Gitterstreuung zuzuschreiben ist, den Widerstand, der der Verunreinigungsstreuung zuzuschreiben ist. Folglich wird die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur groß. Wenn die Verunreinigungskonzentration der Driftschicht 132 des N-Leitfähigkeitstyps hoch ist, überwiegt der Widerstand, der der Verunreinigungsstreuung zuzuschreiben ist, den Widerstand, der der Gitterstreuung zuzuschreiben ist. Folglich wird die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur kleiner.

Auch beim MOSFET 10 mit der Super-Junction-Struktur 30 in der Driftschicht überwiegt der Widerstand, der der Gitterstreuung zuzuschreiben ist, den Widerstand, der der Verunreinigungsstreuung zuzuschreiben ist, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedrig ist. Folglich wird die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur groß. Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps hoch ist, wird der Widerstand, der der Verunreinigungsstreuung zuzuschreiben ist, dem Widerstand, der der Gitterstreuung zuzuschreiben ist, überlegen. Folglich wird die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur kleiner. Somit ist die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur in der Kurve 46 kleiner als in der Kurve 44.

Wenn die Super-Junction-Struktur 30 die Driftschicht liefert, hat die Änderungsrate des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur für den Fall eine negative Temperaturabhängigkeit, bei dem die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedrig ist, wie in der Kurve 42 in 6 gezeigt. Insbesondere ist in diesem Fall die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähig-keitstyps niedriger als eine Verunreinigungskonzentration, welche eine RESURF-Bedingung erfüllt, was einen Verarmungseffekt in der Super-Junction-Struktur 30 liefert, wenn eine Halbleitervorrichtung abschaltet. Diese negative Abhängigkeit wurde von den vorliegenden Erfindern bestätigt. Der Grund für diese negative Abhängigkeit wird nachfolgend erläutert.

Der Widerstand der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in der Super-Junction-Struktur 30 wird bestimmt durch die Elektronenmobilität zusätzlich zu einer Verarmungsschicht, die sich von einer PN-Übergangsschnittstelle 31 in die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ausdehnt.

7 zeigt eine Beziehung zwischen einer Raumladungsdichte und einer Verarmungsschicht, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt, die Temperatur 27° beträgt und der MOSFET 10 eingeschaltet wird. Die vertikale Achse stellt die Raumladungsdichte dar und die horizontale Achse stellt eine Distanz entlang einer Richtung parallel zu einer Stapelrichtung der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps dar. Die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ist 1.4 &mgr;m. Die Hälfte der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ist in 7 gezeigt. Eine Linie 31 stellt den PN-Übergang zwischen der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps dar. Eine gestrichelte Linie 54a stellt den halben Pegel der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps dar. Die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps wird so bestimmt, dass eine Ladungsbalance zur Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps geschaffen wird.

Die Ladungsbalance bedeutet, dass ein Produkt aus der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Breite der Spalte 32b gleich einem Produkt aus der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps und der Breite der Spalte 32a ist. Allgemein gesagt, bei einer Super-Junction-Struktur 30 mit ersten und zweiten Bereichen, welche sich abwechselnd wiederholen, wird die Ladungsbalance zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich aufrechterhalten.

Selbst wenn in dem MOSFET die Ladungsbalance aufrechterhalten wird, wird die Super-Junction-Struktur nicht vollständig verarmt, wenn der MOSFET abschaltet. Um die Super-Junction-Struktur vollständig zu verarmen, wenn der MOSFET abschaltet, ist es notwendig, dass ein Produkt der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte der Breite 32b auf 2 × 1012 cm–2 gesetzt wird. In der vorliegenden Beschreibung wird diese Anforderung als RESURF-Bedingung definiert. Die Distanz der Verarmungsschicht, die sich in die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps erstreckt, hängt von der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ab. Wenn diese Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedrig ist, erstreckt sich die Verarmungsschicht über eine große Distanz in die Spalte 32b. Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps hoch ist, weitet sich die Verarmungsschicht nur über eine geringe Distanz in die Spalte 32b aus.

Wenn die RESURF-Bedingung erfüllt ist, und die Vorrichtung abschaltet, verarmt die Super-Junction-Struktur vollständig. Die RESURF-Bedingung ist derart, dass die Struktur nicht vollständig verarmt, wenn die Verunreinigungskonzentration höher als eine bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt. Folglich ist die Struktur vollständig verarmt, wenn die Verunreinigungskonzentration niediger als eine bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt.

Eine Kurve 34 in 2 zeigt eine Beziehung zwischen der Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b, welche die RESURF-Bedingung erfüllt. Die Breite der Spalte 32b ist definiert als eine Distanz der Spalte 32b gemessen in einer Richtung parallel zur Stapelrichtung der ersten und zweiten Spalten 32a und 32b. Die vertikale Achse stellt die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b dar und die horizontale Achse stellt die Breite der Spalte 32b dar. Ein dreieckiger Punkt 1 zeigt die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration und der Breite der Spalte des N-Leitfähigkeitstyps in einer Halbleitervorrichtung mit einer Super-Junction-Struktur wie sie in der JP-A-1998-223896, entsprechend den US-PSen 6,103,578 und 6,040,600 beschrieben ist. Die Dreickspunkte 2 bis 4 zeigen die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration und der Breite einer Spalte des N-Leiffähigkeitstyps in einer Halbleitervorrichtung mit einer Super-Junction-Struktur, wie sie in der JP-A-2000-260984, der JP-A-2003-273355 (entsprechend den US-PSen 6,844,592 und 7,115,475) und der JP-A-2001-135819 (entsprechend der US-PS 6,512,268) beschrieben ist. Diese Punkte 1 bis 4 erfüllen die RESURF-Bedingung.

Die Kurve 42 in 6, welche eine negative Temperaturabhängigkeit der Widerstandsänderung zeigt und die Ausdehnung der Verarmungsschicht der 7 sind unterhalb der Kurve 34 in 2 angeordnet. Insbesondere gelten diese Bedingungen für den Fall, wo die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedriger als eine vorbestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingungen erfüllt. Diese Bedingungen sind unterschiedlich zu denjenigen im Stand der Technik.

In 7 stellt der Bereich, in dem die Raumladungsdichte gleich oder größer als die Hälfte der Verunreinigungskonzentration ist, eine Anzeige dar, die einen Bereich der Verarmungsschicht zeigt. Wie in 7 gezeigt, verarmt, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leiffähigkeitstyps niedriger als die Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, der größte Teil der Spalte 32b des N-Leiffähigkeitstyps, auch wenn der MOSFET 10 einschaltet. Somit ist der Einschaltwiderstand des MOSFET 10 vergleichsweise hoch. In 7 ist ein gesamter Teil der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps verarmt, so dass der MOSFET 10 Elektrizität nicht einschaltet. Tatsächlich liefert ein Teil der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps einen elektrisch leitfähigen Bereich. Da die Kurve, welche die Raumladungsdichte zeigt, nahe einer linken Seite von 7 rasch sinkt, kann davon ausgegangen werden, dass ein Ladungsträger, der zu der elektrischen N-Leittfähigkeit beiträgt, vorhanden ist. Der Bereich, in welchem die Raumladungsdichte gleich oder größer als die Hälfte der Verunreinigungskonzentration ist, muss nicht unbedingt mit der Anzeige übereinstimmen, die den Bereich der Verarmungsschicht zeigt. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass der Bereich, in welchem die Raumladungsdichte gleich oder größer als die Hälfte der Verunreinigungskonzentration ist, eine Anzeige für den Bereich der Verarmungsschicht liefert. Die Verarmungsschicht liegt in einem Bereich 51a. Die Bezugszeichen 52a bis 52d in den 7 bis 10 stellen die Raumladungsdichte in der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps dar.

Wenn somit die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in der Super-Junction-Struktur 30 niedriger als die Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, ist der Einschaltwiderstand des MOSFET 10 vergleichsweise hoch. Dies deshalb, als die Verunreinigungskonzentration niedrig ist und ein vergleichsweise großer Bereich der Spalte 32b des N-Leiffähigkeitstyps verarmt ist und ein elektrisch leitender Bereich sich nicht ausdehnt, selbst wenn der MOSFET 10 einschaltet.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird, obgleich der Einschaltwiderstand des MOSFET 10 etwas hoch ist, die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedriger als die Konzentration gemacht, welche die RESURF-Bedingung erfüllt. Somit sind diese Bedingungen entgegengesetzt zu denjenigen im Stand der Technik.

Selbst wenn hierbei die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedriger als die Konzentration gesetzt wird, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, tritt nicht der Fall auf, dass die Super-Junction-Struktur vollständig verarmt ist, wenn der MOSFET 10 abschaltet, so dass die Durchbruchsspannung verringert ist. Die Ladungsbalance zwischen der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps ist erfüllt.

8 zeigt eine Beziehung zwischen der Raumladungsdichte und einer Verarmungsschicht, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1 × 1015 cm–3 beträgt, die Temperatur 150°C beträgt und der MOSFET 10 einschaltet. In diesem Fall ist der Bereich 51b, in welchem die Raumladungsdichte gleich oder größer als die Hälfte der Verunreinigungskonzentration ist, verarmt. Jedoch hat der Bereich 53b, in welchem die Raumladungsdichte kleiner als die Hälfte der Verunreinigungskonzentration ist, elektrische Leitfähigkeit. Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in der Super-Junction-Struktur niedriger als die vorbestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, dehnt sich der elektrisch leitenden Bereich gemäß dem Temperaturanstieg aus, so dass der Widerstand verringert wird.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in der Super-Junction-Stuktur 30 niedriger als die bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, dehnt sich, obgleich die Gitterstreuung mit dem Temperaturanstieg wesentlich erhöht wird, so dass der Einschaltwiderstand anwächst, der elektrisch leitende Bereich aus, so dass der Einschaltwiderstand abnimmt. In diesem Fall übersteigt der Abfall des Einschaltwiderstandes den Anstieg des Einschaltwiderstandes, so dass der Einschaltwiderstand eine negative Temperaturabhängigkeit hat. Daher hat die Kurve 42 von 6 die negative Temperaturabhängigkeit.

9 zeigt eine Beziehung zwischen der Raumladungsdichte und der Verarmungsschicht, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1.4 × 1016 cm–3 beträgt und die Temperatur 27°C beträgt. Die Verunreinigungskonzentration erfüllt die RESURF-Bedingung.

Eine Linie 54c zeigt eine Hälfte der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps. Die Verarmungsschicht liegt in einem Bereich 51c. Folglich ist der überwiegende Teil der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps der elektrisch leitende Bereich.

10 zeigt die Beziehung zwischen der Raumladungsdichte und der Verarmungsschicht, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1.4 × 1016 cm–3 beträgt und die Temperatur 150°C beträgt. In diesem Fall liegt die Verarmungsschicht in einem Bereich 51d. Folglich ist der größte Teil der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps der elektrisch leitende Bereich. Eine gestrichelte Linie 54d stellt den halben. Wert der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps dar.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps die RESURF-Bedingung erfüllt, ändert sich der Bereich, das heißt die Breite der Verarmungsschicht 51c bzw. 51d mit dem Temperaturanstieg nicht wesentlich, wie in den 9 und 10 gezeigt. Somit dehnt sich in diesem Fall der elektrisch leitende Bereich nicht wesentlich zusammen mit einem Temperaturanstieg aus, so dass der Einschaltwiderstand abnimmt. Folglich verschwindet die negative Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes.

Bei einer Arbeitervorrichtung, beispielsweise einem MOSFET mit einer Super-Junction-Struktur wird somit die positive Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes, der Gitterstreuung zuzuschreibend, von der negativen Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes aufgehoben, welche der Ausdehnung des elektrisch leitenden Bereichs zuzuschreiben ist, so dass die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes verringerbar ist. Um die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes zu verringern, ist es notwendig, dass die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps geeignet gesteuert wird. Genauer gesagt, die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps erfüllt nicht die RESURF-Bedingung und die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ist niedriger als die bestimmte Konzentration, welche die RESURT-Bedingung erfüllt.

Die negative Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes, welche der Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Bereichs zuzuschreiben ist und temperaturabhängig ist, wird von der Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps beeinflusst (d. h. der Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in einer Richtung parallel zur Stapelrichtung). Wenn die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps groß ist, ist die Ausdehnungsrate des elektrisch leitenden Bereichs unter Bezugnahme auf die Temperatur gering, so dass die negative Temperaturabhängigkeit vergleichsweise klein ist. Wenn die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps gering ist, ist die Ausdehnungsrate des elektrisch leitenden Bereichs unter Bezugnahme auf die Temperatur hoch, so dass die negative Temperaturabhängigkeit vergleichsweise groß ist.

Die vorliegenden Erfinder haben herrausgefunden, dass die positive Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands, welche der Gitterstreuung zuzuschreiben ist, von der negativen Temperaturabhängigkeit wirksam aufgehoben wird, welche der Ausdehnung des elektrisch leitenden Bereichs zuzuschreiben ist, wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3 ist, was eine in der Praxis tatsächlich vorliegende Konzentration ist und wenn die Breite in der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps gleich oder geringer als 4,5 &mgr;m ist.

Ein in 2 mit gestrichelter Linie 3740 umgebener Bereich zeigt, dass die Durchbruchspannung der Vorrichtung vergleichsweise hoch ist, was der Super-Junction-Struktur 30 zuzuschreiben ist, dass der Einschaltwiderstand der Vorrichtung vergleichsweise niedrig ist, was der Super-Junction-Struktur 30 zuzuschreiben ist und dass die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur, was der Temperatur zuzuschreiben ist, vergleichsweise gering ist, d. h. stabilisiert ist, was wiederum der Super-Junction-Struktur zuzuschreiben ist.

Wenn die Breite der Spalte, durch welche die Ladungsträger zwischen den Hauptelektronen sind, gleich oder kleiner als 4,5 &mgr;m ist und wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b niedriger als die bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, d. h. wenn ein Bereich, der an der unteren linken Seite unter den Kurven 37, 38 liegt, ist die positive Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands, welche der Gitterstreuung zuzuordnen oder zuzuschreiben ist, von der negativen Temperaturabhängigkeit aufgehoben, welche der Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Bereichs aufgrund des Temperaturanstiegs zuzuschreiben ist. In diesem Fall ist der Temperaturanstieg des Einschaltwiderstands bezüglich der Temperatur, der der Temperatur zuzuschreiben ist, vergleichsweise gering, d. h. aufgrund der Super-Junction-Struktur stabilisiert.

Selbst wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps niedriger als die bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, ist die Verunreinigungskonzentration gleich oder größer 1 × 1014 cm–3, d. h. im Bereich oberhalb der gestrichelten Kurve 39, ist der Einschaltwiderstand vergleichsweise gering, obgleich der Einschaltwiderstand nicht ein Minimumwiderstand bei der RESURF-Bedingung ist. Genauer gesagt, in diesem Fall ist der Einschaltwiderstand in der Praxis ein kleiner Widerstand. In diesem Fall ist der Einschaltwiderstand der Vorrichtung vergleichsweise gering, was der Superjuncion-Struktur 30 zuzuschreiben ist.

Wenn die Breite der Spalte 32b gleich oder größer als 0.1 &mgr;m ist, d. h. in einem Bereich an der rechten Seite der gestrichelten Linie 40, wird der elektrisch leitfähige Bereich geschaffen, wenn die Vorrichtung abschaltet.

Weiterhin, selbst wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps kleiner als die bestimmte Konzentration ist, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, verarmt die Super-Junction-Struktur 30 vollständig für den Fall, dass die Vorrichtung abschaltet. Somit wird die Durchbuchspannung hoch. In diesem Fall ist die Durchbruchspannungsvorrichtung vergleichsweise hoch, was der Super-Junction-Struktur 30 zuzuschreiben ist.

Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Die Vorrichtung ist beispielsweise eine Halbleitervorrichtung des Vertikaltyps mit einem Paar von Hauptelektroden auf beiden Seiten eines Halbleitersubstrats. Die Vorrichtung hat eine Super-Junction-Struktur mit einer plattenförmigen Spalte oder Säule des N-Leitfähigkeitstyps und einer plattenförmigen Spalte oder Säule des P-Leitfähigkeitstyps, welche sich in vertikaler Richtung erstrecken und abwechselnd in Stapelrichtung der Säulen oder Spalten wiederholend sind. Ein Körperbereich ist vom P-Leitfähigkeitstyps. Eine Graben-Leitelektrode kontaktiert die Spalte des N-Leitfähigkeitstyps. Die Breite der Spalte des N-Leitfähigkeits-typs ist gleich oder geringer als 4,5 &mgr;m. Diese Vorrichtung arbeitet als MOS-Transistor mit einer Super-Junction-Struktur.

Die Obige Vorrichtung ist beispielsweise ein Grabengste-MOSFET 10 des Vertikaltyps.

Der MOSFET 10 gemäß 1 enthält eine Drainschicht 12 des N+-Leitfähigkeitstyps und eine auf der Drainschicht 12 angeordnete Super-Junction-Struktur 30. Die Super-Junction-Struktur 30 erstreckt sich in Dickenrichtung, d. h. in 1 in vertikaler Richtung und erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung, d. h. einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 1. Die Struktur 30 enthält eine plattenförmige Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps mit einer Verunreinigung des N-Leitfähigkeitstyps und eine plattenförmige Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps mit einer Verunreinigung des P-Leitfähigkeitstyps. Die Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps erstreckt sich parallel zur Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps. Die Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps als zweiter Bereich und die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps als erster Bereich wiederholen sich abwechselnd in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung, d. h. in der Zeichnung in einer Richtung von Rechts nach Links. Die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und die Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps sind jeweils in Plattenformen ausgebildet. Somit sind die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und die Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps in einem Streifenmuster angeordnet. Eine der Spalten 32b des N-Leitfähigkeitstyps ist zwischen zwei benachbarten Spalten 32a des P-Leitfähigkeitstyps eingeschlossen. Und eine der Spalten 32a des P-Leitfähigkeitstyps ist zwischen zwei benachbarte Spalten 32b des N-Leitfähigkeitstyps eingeschlossen.

Die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps in Horizontalrichtung, d. h. in der Zeichnung in der Richtung von Rechts nach Links, wird auf 1.4 &mgr;m gesetzt. Die Breite der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps in horizontaler Richtung wird auf 1.2 &mgr;m gesetzt. Die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps beträgt 1.3 × 1015 cm–3 und die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps beträgt 1.5 × 1015 cm–3. Das Produktaus der Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps erfüllt die RESURF-Bedingung nicht. In diesem Fall ist eine Konzentration, welche die RESURF-Bedingung erfüllt, 1.4 × 1016 cm–3. Jedoch ist die Ladungsträgerbalance zwischen der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps aufrecht erhalten. Wenn der MOSFET 10 abschaltet, dehnt sich die Verarmungsschicht von der PN-Schnittstelle 31 zwischen der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps in die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps aus. Weiterhin dehnt sich die Verarmungsschicht von der PN-Schnittstelle 31 oder dem PN-Übergang zwischen der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps und der Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps in die Spalte 32a des P-Leitfähigkeitstyps aus. Selbst wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps die RESURF-Bedingung nicht erfüllt, d. h. selbst wenn die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps 1.3 × 1015 cm–3 beträgt, was weniger als 1.4 × 1016cm–3 ist, verbindet sich die Verarmungsschicht, die sich in die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps ausdehnt. Hierbei liefert die RESURF-Bedingung keine vollständige Verarmung, wenn die Verunreinigungskonzentration gleich oder größer als die RESURF-Bedingung ist. Jedoch kann die Spalte 32b vollständig verarmen, wenn die Verunreinigungskonzentration kleiner als die RESURF-Bedingung ist.

Die Körperschicht 24 des P-Leitfähigkeitstyps wird auf der Oberfläche der Super-Junction-Struktur 30 gebildet. Der Source-Bereich 26 des N+-Leitfähigkeitstyps und der Körperkontaktbereich 28 des P+-Leitfähigkeitstyps werden selektiv auf der Oberfläche der Körperschicht 24 des P-Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Die Graben-Gateelektrode 20 wird so gebildet, dass sie die Körperschicht 24 des P-Leitfähigkeitstyps durchdringt, welche den Source-Bereich 26 des N+-Leitfähigkeitstyps und die Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps trennt. Die Graben-Gateelektrode 20 ist durch den Isolationsfilm 18 elektrisch von der Körperschicht 24 des P-Leitfähigkeitstyps getrennt.

Die Kurve 48 in 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Änderungsrate des Einschaltwiderstands und der Temperatur bei der Halbleitervorrichtung gemäß dieser vorliegenden Ausführungsform. Die vertikale Achse stellt die Änderungsrate des Einschaltwiderstands gegenüber der Temperatur dar, wenn der Einschaltwiderstand bei 27°C als Referenz verwendet wird. Die horizontale Achse stellt die Temperatur in einem Bereich zwischen 27°C und 150°C dar. Die Verunreinigungskonzentration der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps beträgt 1.3 × 1015 cm–3 und die Breite der Spalte 32b des N-Leitfähigkeitstyps, welche zwischen den Spalten 32a des P-Leitfähigkeitstyps eingeschlossen ist, beträgt 1.4 &mgr;m. In diesem Fall ist die Änderungsrate des Einschaltwiderstands gegenüber der Temperatur bei 1.0 im Wesentlichen gleichbleibend. In der linken unteren Seite der Kurven 37 und 38 von 2 wird die positive Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands auf Grund der Gitterstreuung effektiv von der negativen Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands auf Grund der Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Bereichs gegenüber der Temperatur aufgehoben. Weiterhin ist es bevorzugt, sich in der linken unteren Seite der Kurve 36 in dem Bereich aufzuhalten, der von den Kurven 3740 eingefasst ist.

Die vorliegenden Erfinder haben bestimmt, dass die Änderungsrate des Einschaltwiderstands besser verringert wird, wenn die Verunreinigungskonzentration basierend auf der Breite der Spalten 32a und 32b gesteuert wird, durch welche ein Ladungsträger fließt. Genauer gesagt, er liegt in dem Bereich, der von der Kurve 36 und der gestrichelten Linien 39 und 40 eingefasst ist. Das heißt, die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder kleiner als 1 × 1014 cm–3, wenn die Breite der Spalte 4,5 &mgr;m beträgt; die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder kleiner als 1 × 1015 cm–3, wenn die Breite der Spalte 2.0 &mgr;m beträgt; die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder kleiner als 1 × 1016 cm–3, wenn die Breite der Spalte 0.65 &mgr;m beträgt; und die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder kleiner als 1 × 1017 cm–3, wenn die Breite der Spalte 0.2 &mgr;m beträgt. Weiterhin, die Breite der Spalte ist gleich oder größer als 0.1 &mgr;m und die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3. Im obigen Fall haben der Einschaltwiderstand R1 bei 27°C und der Einschaltwiderstand R2 bei 150°C eine Beziehung von R2/R1 < 1.8.

Wenn die Verunreinigungskonzentration und die Breite der Spalte im Bereich liegen, der von der Kurve 36 und der gestrichelten Linie 39 und 40 eingefasst wird, wird die negative Temperaturabhängigkeit, welche der Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Bereichs zuzuschreiben ist, wirksam eingeführt.

Gemäß 3 wird, wenn die Breite der Spalte, durch welche der Ladungsträger fließt, im Bereich zwischen 0.1 &mgr;m und 4.5 &mgr;m liegt, die Beziehung zwischen R2/R1 < 1.8 erhalten. Durch Verwendung der Eigenschaften der Super-Junction-Struktur wird somit die Änderungsrate des Einschaltwiderstands gegenüber der Temperatur gesteuert und begrenzt.

Bevorzugt liegt die Verunreinigungskonzentration und liegt die Breite der Spalte an der rechten oberen Seite der Kurve 35 im Bereich, der von der Kurve 36 und den gestrichelten Linien 39 und 40 eingefasst ist. In diesem Fall wird das Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand R1 und dem Einschaltwiderstand R2 annähernd 1.0. Insbesondere liegt er im Bereich, der von den Kurven 35 und 36 und der gestrichelten Linie 39 eingefasst ist. Das heißt, die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder größer als 1 × 1017 cm–3, wenn die Breite der Spalte 0.1 &mgr;m beträgt; die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder größer als 1 × 1016 cm–3, wenn die Breite der Spalte 0.3 &mgr;m beträgt; die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder größer als 1 × 1015 cm–3, wenn die Breite der Spalte 1.0 &mgr;m beträgt; und die Verunreinigungskonzentration ist gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3, wenn die Breite der Spalte 2.5 &mgr;m beträgt. Weiterhin ist die Verunreinigungskonzentration gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3. In der linken unteren Seite der Kurve 36 ist das Verhältnis R2/R1 nicht für kleiner als 1.0, d. h., die Beziehung von R2/R1 << 1 wird nicht erhalten. Somit wird das Verhältnis R2/R1 annähernd 1.0. Folglich kann durch Verwendung der Eigenschaften der Super-Junction-Struktur die Änderungsrate des Einschaltwiderstandes bezüglich der Temperatur stark verringert werden.

Die obige Vorrichtung enthält ein Paar von Hauptelektroden, von denen eine an einer Vorderseite und die andere an einer Rückseite des Substrats angeordnet ist. Alternativ können beide Hauptelektroden an einer Vorderseite oder einer Rückseite des Substrats angeordnet sein. Obgleich die Vorrichtung die Graben-Gateelektrode enthält, kann die Vorrichtung auch eine planare Gateelektrode haben. Obgleich die obige Vorrichtung ein FET ist, kann die Vorrichtung auch ein Transistor mit einem PN-Übergang sein. Alternativ kann die Vorrichtung eine Diode sein. Die Vorrichtung hat die Super-Junction-Struktur mit den Spalten des P-Leitfähigkeitstyps und den Spalten des N-Leitfähigkeitstyps, die in Streifenmustern und sich abwechselnd wiederholend angeordnet sind. Alternativ kann die Super-Junction-Struktur auch ein schachbrettartiges Muster haben. Weiterhin kann die Super-Junction-Struktur ein Wabenmuster haben. Weiterhin kann die Super-Junction-Struktur derart aufgebaut sein, dass ein erster Bereich in Säulenform angeordnet und im zweiten Bereich verteilt sich ausdehnend angeordnet ist.

Insoweit zusammenfassend weist die vorliegende Erfindung u. a. die vorliegenden Aspekte auf:

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung auf: ein Paar von Hauptelektroden zur Führung eines Ladungsträgers mit einem ersten Leitfähigkeitstyp zwischen sich; eine Mehrzahl erster Bereiche des ersten Leitfähigkeitstyps, die sich entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken, welche parallel zu einer Richtung ist, welche das Paar von Hauptelektroden verbindet; und eine Mehrzahl zweiter Bereiche mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die sich entlang der Erstreckungsrichtung erstrecken. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche wiederholen sich abwechselnd entlang einer Wiederholrichtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung, so dass jeder erste Bereich zwischen zwei der zweiten Bereiche eingeschlossen ist und jeder zweite Bereich zwischen zwei der ersten Bereiche eingeschlossen ist. Der erste Bereich hat eine erste Verunreinigungskonzentration und eine erste Breite, welche entlang der Wiederholrichtung gemessen wird. Der zweite Bereich hat eine zweite Verunreinigungskonzentration und eine zweite Breite, welche entlang der Wiederholrichtung gemessen wird. Ein Produkt aus erster Verunreinigungskonzentration und erster Breite ist gleich einem Produkt aus zweiter Verunreinigungskonzentration und zweiter Breite. Die erste Breite ist gleich oder kleiner als 4,5 &mgr;m. Die erste Verunreinigungskonzentration ist niedriger als eine bestimmte Verunreinigungskonzentration, welche eine RESURF-Bedingung erfüllt. Die Vorrichtung hat einen Einschaltwiderstand bei 27°C, der als R1 definiert ist und einen weiteren Einschaltwiderstand bei 150°C, der als R2 definiert ist. Ein Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand R2 und dem Einschaltwiderstand R1 ist kleiner als 1.8.

Bei der obigen Vorrichtung ist der Einschaltwiderstand vergleichsweise niedrig, die Durchbruchspannung ist vergleichsweise hoch und die Änderungsrate des Einschaltwiderstands gegenüber der Temperatur ist gering.

Alternativ kann die Vorrichtung weiterhin enthalten: einen Driftbereich mit einer Super-Junction-Struktur, geschaffen durch die ersten und zweiten Bereiche; einen Drainbereich, der an einer Seite des Driftbereichs angeordnet ist; und einen Körperbereich, der an der anderen Seite des Driftbereichs angeordnet ist, wobei der Driftbereich, der Drainbereich und der Körperbereich ein MOS-Halbleiterelement liefern. Weiterhin kann die Vorrichtung einen Widerstand in einem Schaltkreis aufweisen. In diesem Fall arbeitet der Schaltkreis dahingehend, einen Ausgang der Vorrichtung gegenüber der Temperatur konstant zu halten. Folglich sind die Schaltkreiseigenschaften des Schaltkreises gegenüber der Temperatur stabil, da die Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung klein ist.

Alternativ kann die RESURF-Bedingung so sein, dass das Produkt aus erster Verunreinigungskonzentration und erster Breite 2 × 1012 cm–2 beträgt. Weiterhin kann die erste Breite gleich oder größer als 0.1 &mgr;m sein und die erste Verunreinigungskonzentration kann gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3 sein. Weiterhin kann die erste Breite gleich oder größer als 0.1 &mgr;m sein und die erste Verunreinigungskonzentration kann gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3 sein. Weiterhin können die erste Verunreinigungskonzentration und die erste Breite in einem Bereich angeordnet sein, der zwischen einer ersten Kurve und einer zweiten Kurve eingeschlossen ist. Die erste Kurve definiert eine Beziehung zwischen der ersten Verunreinigungskonzentration und der ersten Breite und verläuft durch vier Punkte derart, dass: die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1014 cm–3 ist, wenn die erste Breite 4.5 &mgr;m ist; die Verunreinigungskonzentration 1 × 1015 cm–3 ist, wenn die erste Breite 2.0 &mgr;m ist, die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1016 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.65 &mgr;m ist; und die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1017 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.2 &mgr;m ist. Die zweite Kurve definiert eine Beziehung zwischen der ersten Verunreinigungskonzentration und der ersten Breite und verläuft durch vier Punkte derart, dass: die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1014 cm–3 ist, wenn die erste Breite 2.5 &mgr;m ist; die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1015 cm–3 ist, wenn die erste Breite 1.0 &mgr;m ist; die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1016 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.3 &mgr;m ist; und die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1017 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.1 &mgr;m ist. Weiterhin kann die Vorrichtung enthalten: eine Driftschicht, geschaffen durch die ersten und zweiten Bereiche; eine Drainschicht, die auf einer Seite der Driftschicht liegt; einen Körperbereich, der auf der anderen Seite der Driftschicht liegt; einen Sourcebereich, der auf dem Körperbereich und gegenüber der Driftschicht liegt; und eine Graben-Gateelektrode, die den Sourcebereich und den Körperbereich durchtritt und die Driftschicht erreicht. Eine der Hauptelektroden liefert eine Sourceelektrode. Die andere der Hauptelektroden liefert eine Drainelektrode. Die Driftschicht, die Drainschicht, der Körperbereich, der Sourcebereich und die Graben-Gatelektrode liefern einen Graben-Gate-MOSFET.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen hiervon beschrieben; es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und Anordnungen beschränkt ist. Die Erfindung soll vielmehr verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken. Obgleich verschiedene Kombinationen und Ausgestaltungsformen beschrieben wurden, welche momentan bevorzugt sind, liegen auch andere Kombinationen und Ausgestaltungen mit mehr, weniger oder nur einem einzelnen der beschriebenen Elemente ebenfalls im Rahmen und Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er ja durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.


Anspruch[de]
Eine Halbleitervorrichtung, mit: einem Paar von Hauptelektroden (S, D) zum Leiten eines Ladungsträgers eines ersten Leitfähigkeitstyps zwischen sich;

einer Mehrzahl erster Bereiche (32b) des ersten Leitfähigkeitstyps, welche sich entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken, welche parallel zu einer Richtung ist, welche das Paar der Hauptelektroden (S, D) verbindet; und

einer Mehrzahl von zweiten Bereichen (32a) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche sich entlang der Erstreckungsrichtung erstrecken, wobei:

die ersten Bereiche (32b) und die zweiten Bereiche (32a) abwechselnd entlang einer Widerholungsrichtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung angeordnet sind, so dass jeder erste Bereich (32b) zwischen zwei der zweiten Bereiche (32a eingeschlossen ist und jeder zweite Bereich (32a) zwischen zwei der ersten Bereiche (32b) eingeschlossen ist, wobei weiterhin

der erste Bereich (32b) eine erste Verunreinigungskonzentration und eine erste Breite hat, gemessen entlang der Wiederholrichtung;

der zweite Bereich (32a) eine zweite Verunreinigungskonzentration und eine erste Breite hat, gemessen entlang der Wiederholrichtung;

ein Produkt aus erster Verunreinigungskonzentration und erster Breite gleich einem Produkt aus zweiter Verunreinigungskonzentration und zweiter Breite ist;

die erste Breite gleich oder kleiner als 4,5 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration niedriger als eine bestimmte Verunreinigungskonzentration ist, welche eine RESURF-Bedingung erfüllt;

die Vorrichtung einen Einschaltwiderstand bei 27°C hat, der als R1 definiert ist und einen anderen Einschaltwiderstand bei 150°C hat, der als R2 definiert ist; und

ein Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand R2 und dem Einschaltwiderstand R1 kleiner als 1.8 ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend:

einen Driftbereich (30) mit eine Super-Junction-Struktur (30), geschaffen durch die ersten und zweiten Bereiche (32a, 32b);

einen Drainbereich (12), der an einer Seite des Driftbereichs (30) angeordnet ist; und

einen Körperbereich (24), der an der anderen Seite des Driftbereichs (30) angeordnet ist, wobei der Driftbereich (30), der Drainbereich (12) und der Körperbereich (24) ein MOS-Halbleiterelement liefern.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung einen Widerstand in einem Schaltkreis aufweist. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die RESURF-Bedingung derart ist, dass das Produkt aus erster Verunreinigungskonzentration und erster Breite 2 × 1012 cm–2 beträgt. Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Breite gleich oder größer als 0.1 &mgr;m ist und die erste Verunreinigungskonzentration gleich oder größer als 1 × 1014 cm–3 ist. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Verunreinigungskonzentration und die erste Breite in einem Bereich angeordnet sind, der zwischen einer ersten Kurve (36) und einer zweiten Kurve (35) eingeschlossen ist, wobei die erste Kurve (36) eine Beziehung zwischen der ersten Verunreinigungskonzentration und der ersten Breite definiert und durch vier Punkte verläuft, derart, dass:

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1014 cm–3 ist, wenn die erste Breite 4.5 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1015 cm–3 ist, wenn die erste Breite 2.0 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1016 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.65 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1017 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.2 &mgr;m ist; und

die zweite Kurve (35) eine Beziehung zwischen der ersten Verunreinigungskonzentration und der ersten Breite definiert und durch vier Punkte verläuft, derart, dass:

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1014 cm–3 ist, wenn die erste Breite 2.5 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1015 cm–3 ist, wenn die erste Breite 1.0 &mgr;m ist;

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1016 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.3 &mgr;m ist; und

die erste Verunreinigungskonzentration 1 × 1017 cm–3 ist, wenn die erste Breite 0.1 &mgr;m ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin mit:

einer Driftschicht (30), geschaffen durch die ersten und zweiten Bereiche (32a, 32b);

einer Drainschicht (12), die an einer Seite der Driftschicht (30) angeordnet ist;

einem Körperbereich (24), der an der anderen Seite der Driftschicht (30) angeordnet ist;

einem Sourcebereich (26), der auf dem Körperbereich (24) und gegenüber der Driftschicht (30) angeordnet ist; und

einer Graben-Gateelektrode (20), die den Sourcebereich (26) und den Körperbereich (24) durchdringt und die Driftschicht (30) erreicht, wobei eine der Hauptelektroden (S, D) eine Sourceelektrode (S) liefert und die andere der Hauptelektroden (S, D) eine Drainelektrode (D) liefert, und die Driftschicht (30), die Drainschicht (12), der Körperbereich (24), der Sourcebereich (26) und die Graben-Gateelektrode (20) einen Graben-Gate-MOSFET bilden.






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