DE19604044C2 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents
Durch Feldeffekt steuerbares HalbleiterbauelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein durch Feldeffekt steuerbares Halb
leiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente
sind z. B. MOS-Feldeffekttransistoren. Diese Transistoren sind
seit langem bekannt und z. B. im Siemens Datenbuch 1993/94
SIPMOS-Halbleiter, Leistungstransistoren und Dioden, auf Sei
te 29ff beschrieben. Fig. 4 auf Seite 30 dieses Datenbuchs
zeigt den prinzipiellen Aufbau eines derartigen Lei
stungstransistors. Der dort gezeigte Transistor stellt einen
vertikalen n-Kanal-SIPMOS-Transistor dar. Bei einem derarti
gen Transistor dient das n+-Substrat als Träger mit der dar
unterliegenden Drainmetallisierung. Über dem n+-Substrat
schließt sich eine n--Epitaxieschicht an, die je nach Sperr
spannung verschieden dick und entsprechend dotiert ist. Das
darüberliegende Gate aus n+-Polysilizium ist in isolierendes
Siliziumdioxid eingebettet und dient als Implantationsmaske
für die p-Wanne und für die n+-Sourcezone. Die Sourcemetalli
sierung überdeckt die gesamte Struktur und schaltet die ein
zelnen Transistorzellen des Chips parallel. Weitere Einzel
heiten dieses vertikal aufgebauten Leistungstransistors sind
auf Seite 30ff des Datenbuchs 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
Ohm/m2 und steigt bei einer Sperrspannung von 1000 V bei
spielsweise auf einen Wert von ca. 10 Ohm/m2 an.
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 das die abwechselnden p-
und n-Schichten jeweils mit der p-Region 8 bzw. der n-Region
4 verbunden werden müssen. Dies führt jedoch zu einer starken
Einschränkung im Design eines Halbleiterbauelementes, da die
Randbereiche nicht mehr frei gestaltet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein durch Feldef
fekt steuerbares Halbleiterbauelement anzugeben, welches
trotz hoher Sperrspannung einen niedrigen Durchlaßwiderstand
bereitstellt und die aufgezeigten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach dem An
spruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in dem Un
teransprüchen angegeben.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß durch einfaches Ein
bringen einer im Vergleich zur Epitaxieschicht höher dotier
ten n-Zone, in welcher eine Vielzahl von p-Bereichen ver
teilt ist, zum einen durch die n-Schicht eine gute Leitfähig
keit gewährleistet wird und sich zum anderen bei Erhöhung der
Drainspannung die derart gebildeten p-n-Bereiche sich gegen
seitig ausräumen, wodurch eine hohe Sperrspannung gesichert
bleibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen vertikalen MOSFET,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine entsprechend Fig. 1
ausgeführten lateralen MOSFET.
Diese Fig. 1 stellt einen vertikalen MOSFET dar. Das n+-
dotierte Substrat 1 bildet einen Teil der Drainzone und wird
rückseitig über eine übliche Metallisierung kontaktiert, die
den Drainanschluß D bildet. Über dieser Schicht 1 ist eine n-
-dotierte Epitaxieschicht 2 abgeschieden, die ebenfalls einen
Teil der Drainzone bildet, und in welcher p-dotierte Source
bereiche 3 eingebracht sind. Diese p-dotierten Sourcebereiche
3 weisen eingebettete n+-Bereiche 4 auf. Die Sourcemetalli
sierung 5 bildet einen Kurzschluß zwischen diesem n+- und p-
Sourcegebiet 3, 4. In der Figur sind mehrere Sourcebereiche
3, 4 dargestellt, die voneinander beabstandet sind und von
denen jeweils zwei einen Zwischenbereich in Verbindung mit
der Drainzone 1, 2 definieren, über dem, eingebettet in Ga
teoxid 7, ein Gate 6 angeordnet ist.
Eine n-dotierte Zone 15 ist innerhalb der Epitaxieschicht 2
eingebracht. Innerhalb dieser Zone 15 sind statistisch ver
teilt eine Vielzahl von p-dotierten Gebieten 16 eingebracht.
Die p-dotierten Gebiete 16 können dabei eine beliebige Form
aufweisen. Die Gesamtmenge der Dotierungen in den verteilten
p-Gebieten 16 sollte in etwa gleich der Gesamtmenge der Do
tierungen in der n-Zone 15 sein und der Abstand zwischen den
p-Gebieten 16 sollte kleiner sein als es die Breite der Raum
ladungszone zwischen den p-Gebieten 16 und der n-Zone 15 bei
der Durchbruchspannung zwischen den p-Gebieten 16 und der n-
Zone 15 ist.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches einen
lateralen MOSFET entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig.
1 darstellt. Hier ist beispielsweise ein p-dotiertes Gebiet
17 vorgesehen, innerhalb dessen eine n-dotierte Sourcezone 22
eingebracht ist, in welchem sich eine p-dotierte Kontaktie
rungszone 23 befindet, welche mit einem Sourceanschluß S ver
bunden ist. Des weiteren ist eine ebenfalls n-dotierte Drain
zone 20 vorgesehen, in welcher wiederum eine p-dotierte Kon
taktierungszone 21 eingebettet ist, die zur Kontaktierung der
Drainzone 20 mit einem Drainanschluß D dient. Zwischen Source-
und Drainbereich ist isoliert über dem p-dotierten Be
reich 17 ein Gate 26 angebracht, welches durch eine Isolati
onsschicht 27 vom Halbleiterkörper isoliert ist und mit einem
Gateanschluß G verbunden ist. Zwischen Sourcebereich 22 und
Drainbereich 20 ist ein Bereich vorgesehen, der sich von der
Drainzone 13 lateral in Richtung zur Sourcezone 22 erstreckt.
Dieser Bereich beginnt von der Oberfläche des Halbleiterkör
pers und erstreckt sich in den p-dotierten Bereich 17. Diese
Zone 25 ist n-dotiert und weist p-dotierte Gebiete 24 auf.
Der Abstand der einzelnen p-Gebiete 24 zueinander ist vor
zugsweise wiederum kleiner als die Breite der Raumladungszone
zwischen den eingebrachten p-dotierten Gebieten 24 und dem n-
Bereich 18. Auch hier ist die Gesamtmenge der Dotierungen in
den verteilten p-Gebieten 24 in etwa gleich mit der Gesamt
menge der Dotierungen in der n-dotierten Zone 25.
Das Gate kann auch in bekannter Weise so ausgestaltet werden,
daß der Abstand zwischen Gate 26 und p-Bereich 17 vom Source
anschluß S in Richtung des Drainanschlusses D zunimmt (in
Fig. 2 nicht dargestellt).
Nachfolgend wird die Funktionsweise einer derartigen erfin
dungsgemäßen Struktur näher erläutert.
Bei kleiner Drainspannung ist die Leitfähigkeit gut, da die
n-Zone 15, 25 niederohmig sind. Wird die Drainspannung er
höht, werden bei moderater Spannung, z. B. einer Spannung
kleiner 30 V, erste von der Oberfläche der Epitaxieschicht
2, 17 gesehene Schichten der p- bzw. n-dotierten Gebiete 15,
16 bzw. 25, 24 gegenseitig ausgeräumt. Bei einer weiteren
Spannungserhöhung wird nun die vertikale Feldstärke derart
erhöht, daß das gesamte Gebiet 15, 25 ausgeräumt wird. Die
Epitaxieschicht 2, 17 nimmt dann die weitere Spannung auf.
Im einzelnen erfolgt dieser Vorgang folgendermaßen: Die Aus
räumung startet von der Oberfläche unter der Gateelektrode 6,
26 und gegebenenfalls den Sourcebereichen 3, 4. Sie schreitet
dann in das Gebiet 15, 16 bzw. im Gebiet 25, 24 voran. Wenn
die Raumladungszone die ersten p-Gebiete 16, 24 erreicht,
bleiben diese Gebiete 16, 24 auf der Spannung, die das Poten
tial der Raumladungszone erreicht hat. Dann wird die nächste
Umgebung in Richtung des Drainanschlusses D ausgeräumt. Die
ser Vorgang wiederholt sich von Schicht zu Schicht.
Auf diese Weise schreitet die Raumladungszone voran, bis die
Zone unterhalb der n-Zone 15, 25 innerhalb der Epitaxie
schicht 2 erreicht wird. Insgesamt wird dann die Raumladungs
zone so aufgebaut, als ob die Bereiche 15, 16 bzw. 25, 24
nicht vorhanden wären.
Die Spannungsfestigkeit wird dabei nur durch die Dicke Ber
Epitaxieschicht 2 bestimmt. Somit kann die erfindungsgemäße
Anordnung beide Erfordernisse erfüllen, nämlich einen niede
rohmigen Durchlaßwiderstand Ron bei gleichzeitiger hoher
Spannungsfestigkeit.
Ein mögliches Herstellverfahren könnte z. B. durch einen
schichtweisen Aufbau derartiger erfindungsgemäßer Strukturen
ewrfolgen. Dabei könnte jede Schicht durch Implantieren an
der jeweiligen Oberfläche und durch Eindiffundieren in prak
tisch beliebiger Form ausgebildet werden. Die Form der einge
brachten p-Gebiete 16 bzw. 24 kann dabei beliebig z. B. kugel
förmig oder elliptisch gewählt werden.
Die Größe der eingebrachten n-Zone kann ebenfalls beliebig
gewählt werden und auch die gesamte Epitaxieschicht ausfül
len.
In einer Abwandlung ist eine derartige Struktur auch als IGBT
funktionsfähig, wenn z. B. die untere n+-Zone 1 gemäß Fig. 1
auf p+ umgeschaltet wird.
Selbstverständlich kann die Epitaxieschicht in allen Fällen
sowohl vom n-- oder vom p--Typ sein.
Zusammenfassend ist zu bemerken, daß durch die vorliegende
Erfindung sowohl vertikale wie auch laterale MOSFETS mit
niedrigem Durchlaßwiderstand Ron bei gleichzeitig hoher
Sperrspannung vorgesehen werden können. Wesentlich ist die
Ausbildung von paarweisen p- bzw. n-dotierten Bereichen, vor
zugsweise streifenförmiger Bereiche, die entlang des
Strompfads der Laststrecke ausgebildet sind. Die vorliegende
Erfindung ist dabei sowohl bei MOSFETS vom p-Kanal wie auch
bei MOSFETS vom n-Kanal anwendbar.
Claims (4)
1. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement mit
einer Drainzone vom ersten Leitungstyp,
wenigstens einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Gateelektrode, wobei diese gegenüber der Drainzone isoliert ist,
wenigstens einem in der Drainzone eingebrachten Zone vom zweiten Leitungstyp, innerhalb der eine Sourcezone vom ersten Leitungstyp eingebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Drainzone (1, 2) ein vom ersten Leitungstyp dotierter Bereich (15, 25) vorgesehen ist, innerhalb dessen eine Vielzahl von vom zweiten Leitungstyp dotierter Bereiche (16, 24) vorgese hen sind, wobei die Gesamtmenge der Dotierungen vom zweiten Leitungstyp (16, 24) in etwa der Gesamtmenge der Dotierungen vom ersten Leitungstyp (15, 25) entspricht.
wenigstens einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Gateelektrode, wobei diese gegenüber der Drainzone isoliert ist,
wenigstens einem in der Drainzone eingebrachten Zone vom zweiten Leitungstyp, innerhalb der eine Sourcezone vom ersten Leitungstyp eingebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Drainzone (1, 2) ein vom ersten Leitungstyp dotierter Bereich (15, 25) vorgesehen ist, innerhalb dessen eine Vielzahl von vom zweiten Leitungstyp dotierter Bereiche (16, 24) vorgese hen sind, wobei die Gesamtmenge der Dotierungen vom zweiten Leitungstyp (16, 24) in etwa der Gesamtmenge der Dotierungen vom ersten Leitungstyp (15, 25) entspricht.
2. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gemäß
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ab
stand der vom zweiten Leitungstyp dotierten Bereiche (16, 24)
voneinander kleiner gleich der Breite der Raumladungszone
zwischen dem Bereich vom ersten Leitungstyp (15) und dem Be
reich vom zweiten Leitungstyp (16) ist.
3. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gemäß
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die in
der Drainzone eingebrachten Bereiche (16) kugelförmig ausge
bildet sind.
4. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gemäß
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Be
reich vom ersten Leitungstyp (15) die gesamte Epitaxieschicht
ausfüllt.
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