DE4113756C2 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents
Durch Feldeffekt steuerbares HalbleiterbauelementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Feldeffekt steuerbares
Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit
zwei Hauptflächen, an dessen erste Hauptfläche eine Sourcezone
vom ersten Leitungstyp angrenzt, mit einer an die Sourcezone
angrenzenden Gatezone vom zweiten Leitungstyp.
Halbleiterbauelemente der erwähnten Art können MOS-Transistoren,
feldeffektgesteuerte Thyristoren oder IGBT (Isolated Gate Bipolar
Transistor) sein. Die erwähnten Bauelemente enthalten
wenigstens eine parasitäre bipolare Struktur, die aus der Sourcezone,
der Gatezone und einer sich an die Gatezone anschließenden
Zone besteht, die einen der Gatezone entgegengesetzten Leitungstyp
hat.
Bei Überlastung z. B. beim Lawinendurchbruch oder bei zu hohem
Strom kann diese bipolare Struktur eingeschaltet werden. Das
Einschalten der bipolaren Struktur, die im Fall eines NMOS-
Transistors ein npn-Bipolartransistor ist, führt in den meisten
Fällen zur Zerstörung des Halbleiterbauelements durch "latch-
up" oder "second break down" und muß daher verhindert werden.
Es ist bekannt, das "latch-up"-Verhalten durch Gegendotieren
des Kanals zu verbessern (IEEE Transactions ED, Vol. 9, Nr. 1,
Januar 1988, S. 29-31). Es ist auch bekannt, die Latch-up-Stromdichte
durch eine Struktur zu erhöhen, bei der die Gateelektrode
in einem Graben liegt (IEEE Transactions ED, Vol. 36, Nr. 9,
September 1989, S. 1824-1829.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement
der erwähnten Art so weiterzubilden, daß ein Einschalten der
Bipolarstruktur mit anderen Mitteln verhindert oder wenigstens
erschwert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine zwischen der Sourcezone
und der zweiten Hauptfläche des Halbleiterkörpers liegende,
an die Sourcezone angrenzende Isolierschicht.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Ver
bindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt eines prinzipiellen Ausführungsbei
spiels und
Fig. 2 bis 5 Ausschnitte von vier weiteren, speziellen Aus
führungsbeispielen der Erfindung.
Das Halbleiterbauelement nach Fig. 1 ist auf einem Substrat 1
aufgebaut, auf dem eine Zone 2 angeordnet ist. Die Zone 2
dient als Drainzone. In die Zone 2 ist eine Gatezone 3 planar
eingebettet, die an eine erste Hauptfläche 5 des Halbleiter
körpers tritt. In die Gatezone 3 ist eine Sourcezone 4 einge
bettet, die ebenfalls an die Oberfläche 5 tritt. Die Leitfähig
keit ist von der Zone 4 ausgehend n⁺pn⁻n⁺. An die Sourcezone 4
grenzt eine Isolierschicht 7 an. Die Isolierschicht 7 liegt
zwischen der Sourcezone 4 und der drainseitigen Hauptfläche 6
des Halbleiterkörpers.
Dadurch, daß die Isolierschicht 7 direkt an die Sourcezone 4
angrenzt, kann sich an der Grenze zwischen der Isolierschicht 7
und der Sourcezone 4 kein pn-Übergang ausbilden. Ein pn-Über
gang kann sich nur dort ausbilden, wo die Sourcezone 4 an eine
Kanalzone 8 anstößt, die Teil der Gatezone 3 ist und die unmit
telbar unter der Oberfläche 5 des Halbleiterkörpers liegt. Der
pn-Übergang ist mit 19 bezeichnet. Die Hauptfläche 5 ist minde
stens über der Kanalzone 8 mit einer Oxidschicht 9 versehen,
auf der eine Gateelektrode 10 angeordnet ist.
Wird an die mit der Sourcezone 4 und dem Substrat 1 verbunde
nen Anschlüsse 12, 13 eine Source-Drain-Spannung angelegt und
an den mit der Gateelektrode 10 verbundenen Gateanschluß 11
eine Gatespannung, so bildet sich unter der Gateelektrode 10
in der Kanalzone 8 ein Kanal aus und der MOS-Transistor lei
tet. Da die Sourcezone 4 nun gemessen an ihrer gesamten Fläche
nur noch einen kleinflächigen pn-Übergang 19 hat, ist die Bi
polarstruktur sehr klein und das Einschalten einer aus den Zo
nen 4, 3 und 2 bestehenden Bipolarstruktur fällt nicht ins Ge
wicht.
Es ist wesentlich, daß die lateralen Abmessungen der Isolier
schicht 7 mindestens so groß wie die lateralen Abmessungen der
Sourcezone 4 sind, so daß die Isolierschicht 7 die Sourcezone 4
überall lateral überragt. Die Isolierschicht 7 kann z. B. durch
Implantation von Sauerstoff- oder Stickstoffionen und nachfol
gendes Aufheizen des Halbleiterkörpers erzeugt werden. Als
Implantationsdosis kommen z. B. 1014 bis 1016 Atome/cm2 in Frage.
Ein Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 800 und 1200°C ge
nügt zur Bildung eines Siliziumoxids bzw. von Siliziumnitrid.
Zusätzlich zur Isolierschicht 7 kann die Sourcezone 4 noch
elektrisch mit der Gatezone 3 verbunden sein. Dies ist durch
die eingezeichnete, nicht näher bezeichnete Leitungsverbindung
angedeutet. Die Zonen 3, 4 und die Isolierschicht können strei
fenförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Im übrigen ist die
Erfindung nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt die Realisierung
eines vertikalen MOS-Transistors. Ist das Substrat statt
n⁺-dotiert p⁺-dotiert, ist das Halbleiterbauelement ein IGBT.
Auch bei einem IGBT ist es wesentlich, daß die Bildung eines
Bipolartransistors unterbunden wird, der aus der Sourcezone 4,
der Gatezone 3 und der Zone 2 besteht. Dies wird wieder durch
die Isolierzone 7 erreicht, die an die Sourcezone 4 angrenzt
und zwischen dieser und der unteren Hauptfläche 6 des MOS-Tran
sistors bzw. IGBT liegt. Die Gatezone 3 besteht hier aus einem
stark dotierten, relativ tief eindiffundierten Teil 15 und
einem schwächer dotierten, weniger tief eindiffundierten Teil
16. Das schwächer dotierte Teil 16 enthält die Kanalzone 8.
Die Sourcezone 4 und die Gatezone 3 sind über ein Kontaktloch
durch eine Sourceelektrode 18 kontaktiert und elektrisch mit
einander verbunden. Die Sourceelektrode 18 ist auf einer Oxid
schicht 17 angeordnet. Die Oxidschicht 17 ihrerseits bedeckt
die Gateelektrode 10 und die Sourcezone 4.
In Fig. 3 ist wieder ein MOS-Transistor mit Vertikalstruktur
dargestellt. In die Zone 2 ist eine Zone 20 entgegengesetzten
Leitungstyps eingebettet. Auf der Zone 20 ist eine lsolier
schicht 7 angeordnet, auf der eine Sourcezone 4 liegt. Die
Sourcezone 4 ist elektrisch über eine Kanalzone 24 vom der
Sourcezone entgegengesetzten Leitungstyp mit einer Epitaxie
schicht 23 verbunden, die auf der Oberfläche der Zone 2 ange
ordnet ist. Die Epitaxieschicht 23 ist vom gleichen Leitungs
typ wie die Zone 2, jedoch höher dotiert als diese. Die Epi
taxieschicht 23 ist mit der Oxidschicht 9 bedeckt, auf der die
Gateelektrode 10 angeordnet ist. Die Sourceelektrode 18 kon
taktiert gemeinsam die Sourcezone 4 und die Zone 20. Sie ist
durch die Oxidschicht 17 gegen die Gateelektrode 10 isoliert.
Beim Einschalten des MOS-Transistors fließt der Strom von der
Sourcezone 4 durch die Kanalzone 24 und die Epitaxieschicht 23
in die Zone 2, die als Drainzone dient. Die Zone 20 begrenzt
den Kanal auf der Unterseite.
Für höhere Sperrspannungen kann die Sourcezone mit einer lateral
gegen die Kanalzone 24 abnehmenden Dotierung versehen sein. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Sourcezone durch eine Spaceroxid
schicht 25 implantiert wird. Diese Schicht hat an der Grenze
zwischen Kanalzone 24 und Sourcezone 4 ihre größte Dicke. Die
Dicke nimmt mit steigender Entfernung von der Kanalzone 24 ab.
In Fig. 4 ist ein Lateral-MOS-Transistor dargestellt, bei dem
auf der Zone 2 eine schwach dotierte Zone 28 des der Zone 2
entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist. Die Sourcezone 4
ist in die Zone 28 eingebettet. An die Sourcezone 4 schließt
sich wieder eine Isolierschicht 7 an, die zwischen der Source
zone 4 und der unteren Hauptfläche 6 des Halbleiterbauelements
liegt. Die Sourcezone 4 und die Isolierschicht 7 sind in Rich
tung zur Drainzone 32 von zwei Zonen 29, 30 umschlossen. Sie
bilden eine Patentialbarriere zu Elektronen, um die Struktur
beim UG = 0 gesperrt zu halten. Die Zonen 29 und 30 sind vom
gleichen Leitungstyp wie die Zone 28, jedoch stärker dotiert
als diese. An der oberen Hauptfläche 5 des Halbleiterkörpers
ist eine Driftstrecke 31 angeordnet, die vom gegenüber der Zone
28 entgegengesetzten Leitungstyp ist. Sie ist mit der Drainzone
32 verbunden. Die Kanalzone liegt zwischen der Sourcezone 4 und
der Driftstrecke 31 und ist mit 14 bezeichnet. Die Oberfläche
des Halbleiterkörpers ist mit einer Oxidschicht 9 bedeckt, die
von der Sourcezone 4 zur Drainzone 32 einen von der Hauptfläche
5 zunehmenden Abstand aufweist. Damit läßt sich die Feldstärke
verteilung in der Driftstrecke vergleichmäßigen und es lassen
sich höhere Sperrspannungen erzielen. Auch bei diesem Ausführungs
beispiel ist der parasitäre Bipolartransistor weitgehend aus
geschaltet, der aus der Sourcezone 4, den Zonen 28 und 29 und
der Zone 2 besteht.
In Fig. 5 ist als Ausführungsbeispiel eine CMOS-Anordnung
dargestellt. Sie besteht aus einem NMOS-Transistor mit der
Sourcezone 4 und einer Drainzone 35. Beide Zonen sind in eine
Zone 34 eingebettet, die gegenüber den Zonen 4 und 35 vom ent
gegengesetzten Leitungstyp ist. Der NMOS-Transistor wird über
eine Gateelektrode 37 gesteuert, die auf einer Oxidschicht 36
angeordnet ist. An die Sourcezone 4 schließt sich wieder die
Isolierschicht 7 an, die zwischen der Sourcezone und der unte
ren Hauptfläche 6 des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Damit
ist wieder nur jener kleine pn-Übergang 19 wirksam, der unter
der Hauptfläche 5 bzw. unter der Gateelektrode 37 sitzt. Der
PMOS-Transistor besteht aus einer Sourcezone 40, einer Drain
zone 41 und einer Gateelektrode 42.
Die parasitäre Bipolarstruktur würde in diesem Fall aus der
Sourcezone 4, der Zone 34 und der Zone 2 bestehen. Ihr Ein
schalten wird durch die Isolierschicht 7 stark erschwert.
Zum Verhindern der Bildung einer parasitären Bipolarstruktur
hat es sich als ausreichend erwiesen, die Isolierschicht 7
dünner als 1 µm, z. B. 0,1 µm dick zu machen.
Claims (9)
1. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement mit einem
Halbleiterkörper mit zwei Hauptflächen (5, 6), an dessen erste
Hauptfläche (5) eine Sourcezone (4) vom ersten Leitungstyp an
grenzt, mit einer an die Sourcezone angrenzenden Gatezone (3)
vom zweiten Leitungstyp, gekennzeichnet
durch eine zwischen der Sourcezone (4) und der zweiten
Hauptfläche (6) des Halbleiterkörpers liegende, an die Source
zone (4) angrenzende Isolierschicht (7).
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Isolierschicht (7) eine
Siliziumoxidschicht ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Isolierschicht (7) eine Si
liziumnitridschicht ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier
schicht (7) mindestens die gleichen lateralen Abmessungen wie
die Sourcezone (4) hat.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier
schicht eine Dicke von weniger als 1 µm hat.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Source
zone (4) elektrisch mit der Gatezone (3) verbunden ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß es ein
Vertikal-MOSFET ist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß es ein
Lateral-MOSFET ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß es einen
Lateral-MOSFET und einen komplementären MOSFET enthält.
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|---|---|---|---|
| DE4113756A DE4113756C2 (de) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| DE4113756A1 DE4113756A1 (de) | 1992-10-29 |
| DE4113756C2 true DE4113756C2 (de) | 1994-05-26 |
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| DE4113756A Expired - Fee Related DE4113756C2 (de) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement |
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| DE (1) | DE4113756C2 (de) |
Families Citing this family (3)
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|---|---|---|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |