DE19611045C1 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein durch Feldeffekt steuerbares Halb­ leiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauele­ ment ist z. B. ein vertikaler MOS-Feldeffekttransistor. Diese Transistoren sind seit langem bekannt und z. B. im Siemens Datenbuch 1993-94 SIPMOS-Halbleiter, Leistungstransistoren und Dioden, Seite 29 ff. beschrieben. Fig. 4 auf Seite 30 dieses Datenbuchs zeigt den prinzipiellen Aufbau eines derar­ tigen Leistungstransistors. Bei einem solchen Transistor dient das n⁺-Substrat als Träger mit der darunterliegenden Drain-Metallisierung. Über dem n⁺-Substrat schließt sich eine n⁻-Epitaxieschicht an, die je nach Sperrspannung verschieden dick und entsprechend dotiert ist. Das darüberliegende Gate aus n⁺-Polysilizium ist in isolierendes Siliziumdioxid einge­ bettet und dient als Implantationsmaske für die P-Wanne und für die n⁺-Sourcezone. Die Sourcemetallisierung überdeckt die gesamte Struktur und schaltet die einzelnen Transistorzellen des Chips parallel. Weitere Einzelheiten sind auf Seite 30 ff. des Datenbuches zu entnehmen.
Nachteil einer derartigen Anordnung ist, daß der Durchlaßwi­ derstand Ron der Drain-Source-Laststrecke mit zunehmender Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements zunimmt, da die Dicke der Epitaxieschicht zunehmen muß. Bei 50 V liegt der flächenbezogene Durchlaßwiderstand Ron bei ungefähr 0,20 Ωmm² und steigt bei einer Sperrspannung von 1000 V beispielsweise auf einen Wert von circa 10 Ωmm² an.
Zur Lösung dieses Problems wurde der IGBT entwickelt, welcher MOS- und Epolafunktionen mischt, um besser leitend zu werden. Ein derartiger Transistor ist aber langsamer als ein MOSFET.
Es ist bekannt bei lateralen Feldeffekttransistoren das Gate derart auszubilden, daß dieses in Richtung zur Drain-Elek­ trode beispielsweise stufenartig oder linear ansteigt, wobei die Durchbruchsspannung mit zunehmendem Abstand der Gate- Elektrode von dem Kanalbereich zunimmt und die Sättigungs­ spannung auch zunimmt. Durch einen derartigen Aufbau wird prinzipiell eine Kettenschaltung von mehreren Feldeffekttran­ sistoren mit zunehmenden Durchbruchspannungen und niedrigeren Sättungsspannungen realisiert. Laterale Transistoren benöti­ gen jedoch eine große Fläche.
Aus der US 5,216,275 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem die auf dem Substrat aufgebrachte Drainschicht aus vertikalen abwechselnd p- und n-dotierten Schichten besteht. Die US 5,216,275 zeigt diese Schichten beispielsweise in Fig. 4 der Beschreibung. Die p-Schichten sind mit 7 und die n- Schicht mit 6 bezeichnet. Aus der Beschreibung, insbesondere aus Spalte 2, Zeile 8 geht hervor, daß die abwechselnden p- und n-Schichten jeweils mit der p⁺- bzw. der p⁻-Region ver­ bunden werden müssen. Dies führt jedoch zu einer starken Ein­ schränkung im Design eines Halbleiterbauelementes, da die Randbereiche nicht mehr frei gestaltet werden können.
Aus der US 5,438,215 ist ein hochsperrender Leistungs-MOSFET bekannt, der einen verminderten Durchlaßwiderstand aufweist. Ein derartiges Bauelement ist jedoch schwierig herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues, durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement anzugeben, welches trotz hoher Sperrspannung einen niedrigen Durchlaßwi­ derstand bereit stellt.
Diese Aufgabe wird bei einem Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch den kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß die zuvor ge­ nannten Vorteile eines lateralen Feldeffekttransistors erfin­ dungsgemäß auch bei einem vertikalen Feldeffekttransistor ausgenutzt werden können, indem das Gate bzw. eine isolierte zusätzliche Feldplattenelektrode, welche in vertikaler Rich­ tung in das Substrat eingebracht ist, mit zunehmender Tiefe einen zunehmenden Abstand des umgebenden isolierenden Ga­ teoxyds aufweist.
Ein weiterer Vorteil ist, daß eine derartige Grabenstruktur gitterförmig oder streifenförmig um die einzelnen Transistor­ zellen herum angeordnet werden kann, und somit eine optimale Beeinflussung der Raumladungszone ermöglicht wird.
Je nach Ausgestaltung der vertikalen Zusatzelektrode kann diese elektrisch mit Source oder Gate verbunden sein oder auch derart ausgebildet sein, daß sie einen Teil der Gate­ elektrode oder die Gateelektrode selbst bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 5 Figuren näher er­ läutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen vertikalen MOS-Feldeffekttransistors,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Draufsicht auf einen erfin­ dungsgemäßen Feldeffekttransistor gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen MOS-Feldeffekttransistors,
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen MOS-Feldeffekttransistors, und
Fig. 5 einen Ausschnitt einer Grabenstruktur eines weiteren erfindungsgemäßen MOS-Feldeffekttransistors.
Der in Fig. 1 dargestellte vertikale MOSFET weist eine n⁺- dotiertes Substrat auf, welches rückseitig mit einem Drain- Anschluß, z. B. einer Metallisierung, versehen ist. Über die­ ser Schicht 1 ist eine n⁻-dotierte Epitaxieschicht 2 abge­ schieden, in welcher p-dotierte Sourcebereiche 3 eingebracht sind. Diese p-dotierten Sourcebereiche 3 weisen eingebettete n⁺-Bereiche 4 auf. Eine Source-Metallisierung 7 bildet einen Kurzschluß zwischen diesen n⁺- und p-Sourcegebiet 3, 4. In der Fig. 1 sind zwei dieser Sourcebereiche 3, 4 dargestellt, die voneinander beabstandet sind und deren Zwischenbereich jeweils in Verbindung mit der Drain-Zone 1, 2 einen Kanal de­ finiert wird, über dem, eingebettet in Gateoxyd 5, ein Gate 6 angeordnet ist.
Unterhalb des Gates erstreckt sich in die Epitaxieschicht 2 eine grabenförmige Aussparung, innerhalb der sich eine Hilfs­ elektrode 10b befindet, die von isolierendem Gateoxyd 9b um­ geben ist. Diese Hilfselektrode 10b ist keilförmig ausgebil­ det, so daß mit zunehmendem Abstand von der dem Gate zuge­ wandten Oberfläche in die Epitaxieschicht 2 die Dicke des isolierenden Gateoxyds 9b zunimmt. Im dargestellten Beispiel ist somit der Abstand d1 geringerer als der Abstand d2 und d3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zudem die Grabenwände 11b n⁺-dotiert. Zusätzlich zu der unter dem Gate befindlichen Grabenstruktur 8b ist außerdem eine ähnliche Grabenstruktur unterhalb der Source-Elektrode ausge­ bildet. Der dort gebildete Graben 8a erstreckt sich von der Source-Metallisierung 13 durch das Sourcegebiet 3 in Richtung des Drains durch die Epitaxieschicht 2. Die keilförmig ausge­ bildete Zusatzelektrode erstreckt sich hier von der Source- Metallisierung, mit der sie leitend verbunden ist, in Rich­ tung des Drains in gleicher Weise wie die Hilfselektrode 10b. Beginnend unterhalb der Source-Elektrode 3 sind wiederum die Grabenwände 11a n⁺-dotiert.
Fig. 2 zeigt, wie die Hilfselektroden 10a und 10b miteinan­ der und mit den Sourcegebieten verbunden werden können. Die Hilfselektroden 10a und 10b und weitere in Fig. 1 nicht dargestellte Hilfselektroden bilden eine gitterförmige Struk­ tur aufweisen, die einerseits die Sourcegebiete umgeben und andererseits die Sourcegebiete durchqueren. Dabei können, wie in Fig. 1 dargestellt, die zusätzlichen Hilfselektroden 10a, 10b durch einzelne Sourcezellen hindurch mit der Source-Me­ tallisierung in Verbindung stehen. Selbstverständlich können alle Hilfselektroden, welche Sourcegebiete durchqueren, je­ weils mit der Source-Metallisierung verbunden werden. An den Kreuzungspunkten der gitterförmig ausgebildeten Hilfselektro­ den 10a und 10b sind die Hilfselektroden ebenfalls miteinan­ der verbunden und bilden so eine ringförmige Struktur, die die einzelnen Transistorzellen umgibt. Es ist auch eine Streifenstruktur möglich.
Die Wirkungsweise eines derartigen vertikalen MOSFETS ent­ spricht im wesentlichen der der bekannten lateralen MOSFETS mit einer zusätzlichen Feldplatte, deren Abstand zur Epita­ xieschicht in Richtung des Drains zunimmt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist die Hilfselektrode ebenfalls keilförmig in vertika­ ler Richtung ausgebildet, jedoch direkt mit dem Gate 6 ver­ bunden. Gleiche Elemente weisen die gleichen Bezugszeichen auf. Die zusätzliche keilförmig ausgebildete Hilfselektrode 13 ist hier somit Teil des Gates und somit vollständig in das Gateoxyd 5 sowie das Gateoxyd 12 des Grabens 8 eingebettet. Der Graben erstreckt sich hier bis in das Substrat 1, wobei in diesem Ausführungsbeispiel nur die Seitenwände 14 n⁺-do­ tiert sind.
Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung, wobei hier die aus der Speichertechnik bekannte Trench-Technologie verwendet wird. Der Unterschied zu bisher bekannten Trenchgräben liegt darin, daß die kombinierte Gate- Feldplatten hier wiederum teilweise keilförmig gebildet sind, so daß das sie umgebende Gateoxyd 12 in seiner Dicke in Rich­ tung des Drains zunimmt. Diese kombinierte Gate-Feldplatten­ struktur ist in Fig. 4 mit 15 bezeichnet. Die keilförmige Ausgestaltung beginnt hier ungefähr ab dem Ende der Source­ zone 3 in Richtung zum Drainanschluß.
Die außerhalb des Grabens eingepflanzte n⁺-Schicht weist eine Dotierung kleiner als etwa 10¹² 1/cm² auf. Sie soll so hoch sein, daß bei vollem Ausräumen noch kein Lawinendurchbruch in den Schichten 14 auftritt. Wie dargestellt, kann die zusätz­ liche Hilfselektrode aus n⁺-Polysilizium bestehen und deren Anschluß sowohl an den Sourcekontakt oder auch an den Gatean­ schluß erfolgen.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt der Grabenstruktur gemäß Fig. 3 dargestellt. Zusätzlich ist hier eine weitere p-dotierte Schicht 16 in den Randbereich des Grabens eingebracht. Es können auch mehrere abwechselnde p- oder n-dotierte Schichten eingebracht werden, oder die Anordnung gemäß Fig. 5 ver­ tauscht werden, so daß die n⁺-Schicht 14 innen und die p- Schicht 16 außen liegt. Die Schicht 16 kann durch Ionenim­ plantation erzeugt werden.
Die erfindungsgemäßen Strukturen wurden als N-Kanal-FET er­ läutert, sind jedoch genausogut auch bei entsprechender um­ kehrter Dotierung in einer P-Kanal-Version realisierbar.
Der Rand eines derartig aufgebauten Transistors kann wie bei den zur Zeit gängigen Leistungs-MOSFETS ausgeführt sein.
Die Dotierung der Grabenwände 11a, 11b, 14, 16 kann z. B. durch Ionenimplantation mit einem Winkel zur Trenchwand er­ folgen. Sie soll so hoch sein, daß bei vollem Ausräumen noch kein Lawinendurchbruch in den Schichten 14 auftritt.

Claims (9)

1. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement mit
  • - einer Drainzone vom ersten Leitungstyp,
  • - wenigstens einer aus polykristalliden Silizium bestehenden Gateelektrode, wobei diese gegenüber der Drainzone isoliert ist,
  • - wenigstens einem in der Drainzone eingebrachten Sourcebe­ reich vom zweiten Leitungstyp,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Drainzone wenigstens eine Grabenstruktur (8, 8a, 8b) eingebracht ist, die von der Oberfläche des Halbleiter­ bauelementes in die Drainzone (2, 1) hineinreicht, innerhalb der eine von einer Oxydschicht (9a, 9b, 12) umgebene Feldplat­ te (10a, 10b, 13, 15) eingebracht ist, wobei die Dicke der Oxydschicht (9a, 9b, 12) in Richtung der Drain-Elektrode zu­ nimmt.
2. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Feldplatte umgebende Oxydschicht (9a, 9b, 12) von einer vom ersten Leitungstyp im Vergleich zur Drainzone (2) stärker dotierten Schicht (11a, 11b, 14) umgeben ist.
3. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Feldplatte umgebende Oxydschicht (9a, 9b, 12) wenigstens eine weitere Schicht (16) vom zweiten Leitungstyp eingebracht ist.
4. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Grabenstrukturen (8a, 8b, 8) gitterför­ mig oder streifenförmig in dem Halbleiterbauelement angeord­ net sind.
5. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatte (10a, 10b) elektrisch mit dem Sourcean­ schluß (s) verbunden ist.
6. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatte (13, 15) elektrisch mit der Gateelektrode (G) verbunden ist.
7. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatte (15) vertikal ausgebildet ist, und das sie gleichzeitig als Gate dient.
8. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feld­ platte aus Polysilizium besteht.
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