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DE4113756C2 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement

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DE4113756C2
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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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