DE19828494A1 - MOSFET-Bauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein MOSFET-Bauelement vorgeschlagen, das zum Schalten hoher Ströme dient. Das Bauelement umfaßt einen zur Basisemitterstrecke des parasitären Bipolartransistors parallelgeschalteten Strompfad, der Minoritätsladungsträger absaugt und ein Ansteuern des parasitären Transistors unterbindet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem MOSFET-Bauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE 30 39 803 ist schon ein solches Bauelement bekannt, bei dem ein Mittel zum Schutz vor dem Durchschalten eines Parasittransistors vorgesehen ist. Weiterhin ist bekannt, bei MOSFET-Bau­ elementen, die ein p-dotiertes Wannengebiet aufweisen, in das ein stark n-dotiertes Sourcegebiet eingebettet ist, innerhalb der p-Wanne ein stark p-dotiertes Gebiet vorzusehen, das entweder bis zum unterhalb der p-Wanne liegenden n-Gebiet hindurchreicht und/oder sich lateral unterhalb des Sourcegebietes erstreckt. Ein Vorsehen eines solchen stark p-dotierten Gebietes eignet sich nicht für Mischprozesse, wenn man zusätzliche Verfahrensschritte bei der Herstellung vermeiden will. Ferner begrenzt ein derart ausgestaltetes stark p-dotiertes Gebiet eine Herunterskalierung des Bauelements.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, ohne zusätzlichen Aufwand mit einem einfachen Mittel einen sicheren Schutz vor dem Durchschalten des Parasittransistors zu gewährleisten, das unweigerlich aufgrund der hohen Ströme zur Zerstörung des Bauelementes führen würde.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Bauelements möglich. Besonders vorteilhaft ist es, das Bauelement herunterzuskalieren, so daß beispielsweise die p-Wanne eine Tiefe von weniger als 1 µm aufweist. Dadurch ergibt sich eine Submikron-MOS-Anordnung, die bei üblichen Schwellenspannungen, jedoch statt mit Drainsourcespannungen von nur 40 V statt 60-80 V, betrieben werden kann. Solche platzsparenden kleinen Bauelemente erlauben nur schwer beziehungsweise verbieten zum Schutz vor parasitären bipolaren Effekten Lösungen aus dem Stand der Technik. Soll nämlich die Schwellenspannung auch bei der Submikron- Anordnung die üblichen Werte haben, so muß die P-Wanne höher dotiert werden. Trotz der höheren p-Dotierung erhöht sich der Untendurchwiderstand und damit die Anfälligkeit vor parasitären bipolaren Effekten, da der Raumladungseffekt zwischen p-Wanne und darunterliegendem n-Gebiet bei sehr flachen p-Wannen relativ an Bedeutung gewinnt. Schutzmaßnahmen, wie aus dem Stand der Technik bekannte tiefe p-Diffusionen sind jedoch bei herunterskalierten p-Wannen mit einer Tiefe von weniger als einem Mikrometer nicht möglich. Erst die Kombination einer Submikronstruktur mit einem zum Untendurchwiderstand parallel geschalteten p-dotierten Pfad stellt ein kleines kompaktes Bauteil mit sicherem Schutz vor dem Durchschalten des Parasittransistors bereit.

Eine Ausführung in DMOS-Technologie erlaubt eine weitere Miniaturisierung bei gleichzeitig erhöhter Stromtragfähigkeit des Bauelements. Dabei besteht gerade bei DMOS-Bauelementen eine große Gefahr, daß in den Kanalgebieten benachbarten Bereichen des n-Gebiets erzeugte Minoritätsladungsträger den schmalen Kanalbereich durchströmen und den Untendurchwiderstand durchfließen. Somit wirkt sich gerade bei DMOS-Bauelementen ein zum Untendurchwiderstand parallel geschalteter p-leitfähiger Pfad besonders vorteilhaft aus.

Insbesondere bei lateralen Bauelementen ist auch mit hohen Feldstärken in den Kanalgebieten benachbarten Bereichen des n-Gebiets zu rechnen, wo infolgedessen eine hohe Löcherproduktion erfolgt, aus der dann ein hoher Löcherstrom durch den Untendurchwiderstand resultiert. Insbesondere bei lateralen Bauelementen ist der parallelgeschaltete Pfad daher vorteilhaft einsetzbar.

Durch die Wahl des Flächenverhältnisses zwischen Source- und Hilfsgebieten ist je nach Anwendung das Bauelement auf einen niedrigen Drain-Source-Einsatzwiderstand beziehungsweise auf eine hohe Effizienz in der Absaugung der unerwünschten, da parasitäre Effekte verursachenden Minoritätsladungsträger einstellbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in gleicher Weise vorteilhaft auch mit vertauschten Dotierungen einsetzbar.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a bis c eine bekannte Anordnung und Fig. 2a bis c ein MOSFET-Bauelement mit einem p-leitfähigen Pfad, der zum Untendurchwiderstand parallelgeschaltet ist.

Fig. 1a zeigt ein MOSFET-Bauelement in Querschnittsseitenansicht, bei dem der Einfachheit halber Isolationsschichten (beispielsweise zwischen Gateelektrode und Halbleiteroberfläche) weggelassen sind. In einem n-dotierten Gebiet 1, das über ein stark n-dotiertes Draingebiet 2 mit einem Drainanschluß D kontaktierbar ist, ist eine p-dotierte Wanne 3 angeordnet. In der p-dotierten Wanne 3 ist ein stark n-dotiertes Sourcegebiet 4 eingebracht. Der Sourceanschluß S ist mit dem Sourcegebiet 4 und mit einem stark p-dotierten Kontaktierungsgebiet 11, das die p-Wanne 3 kontaktiert, elektrisch verbunden. Ein zwischen dem Sourcegebiet 4 und dem n-Gebiet 1 angeordnetes Kanalgebiet 16 der p-Wanne 3 ist über eine mit einem Gateanschluß G versehene Polysilizium-Gateelektrode 10 ansteuerbar.

Die Anordnung stellt ein bekanntes MOSFET-Bauelement dar, bei dem bei einer am Drainkontakt anliegenden positiven Spannung zwischen dem Drain- und dem Source-Kontakt ein Strom fließt, wenn die Gateelektrode gegenüber dem Sourcegebiet mit einem positiven Potential belegt wird.

Fig. 1b zeigt die gleiche Querschnittsseitenansicht A-A' wie Fig. 1a, zusätzlich eingezeichnet ist jedoch ein Ersatzschaltbild für den Parasittransistor 12, dessen Emitter durch das Sourcegebiet 4, dessen Basis durch die p-Wanne 3 und dessen Kollektor durch das n-Gebiet 1 gebildet ist. Die Basis des Parasittransistors 12 ist über einen Untendurchwiderstand 6 mit dem Sourceanschluß S verbunden, wobei der Untendurchwiderstand 6 durch p-Bereiche 5 der p-Wanne 3 unterhalb des Source-Gebiets 4 gebildet wird.

Im n-Gebiet 1 werden insbesondere nahe des Kanalgebietes 16 durch den Avalancheeffekt Löcher als Minoritätsladungsträger erzeugt. Diese Löcher driften in die p-Wanne und durchfließen den Untendurchwiderstand 6. Wird dadurch die erforderliche Basisemitterspannung zum Aufsteuern des Parasittransistors 12 bereitgestellt, fließt sofort ein sehr großer Strom zwischen Source- und Drainanschluß, der zur Zerstörung des Bauelementes führt.

Fig. 1c zeigt eine Draufsicht auf das in Fig. 1a in Querschnittsseitenansicht beschriebene Bauelement, wobei der in Fig. 1a gezeigte Querschnitt A-A' dabei in Fig. 1c mit einer gestrichelten Linie markiert ist. Das Draingebiet 2, die Gateelektrode 10 und das Sourcegebiet 4 sind streifenförmig parallel zueinander angeordnet. Das Draingebiet 2 ist mit Drainkontakten 15 versehen, die zusammen den Drainanschluß D bilden. Das Sourcegebiet 4 ist mit Sourcekontakten 13 versehen, die zusammen den Sourceanschluß S bilden. Die als Inseln in das Sourcegebiet 4 eingebrachten Kontaktierungsgebiete 11 sind mit Kontakten 14 versehen. Die Darstellung in Fig. 1c ist nach oben und nach unten hin fortzusetzen, das heißt Sourcekontakte 13 und Kontakte 14 der Kontaktierungsgebiete 11 alternieren.

Wie aus Fig. 1c erkennbar, müssen die oben beschriebenen Minoritätsladungsträger durch die p-Bereiche 5 strömen, um über die Kontaktierungsgebiete 11 schließlich zum Sourceanschluß S zu fließen.

Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes MOSFET-Bauelement. Gleiche Bestandteile wie in Fig. 1 bereits beschrieben, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. In die p-Wanne 3 sind in alternierender Reihenfolge Sourcegebiete 4 und stark p-dotierte Hilfsgebiete 20 eingebettet, die jeweils bis zum Kanalgebiet 16 reichen. Die stark p-dotierten Hilfsgebiete 20 sind analog zu den Kontaktierungsgebieten 11 in Fig. 1 mit Kontakten 14 versehen. Die mit B und B' beziehungsweise mit C und C' markierten gestrichelten Linien markieren die Positionen der Querschnittsseitenansichten, wie sie in Fig. 2c beziehungsweise 2b abgebildet sind. In Fig. 2b ist dabei in der P-Wanne 3 nur das stark n-dotierte Sourcegebiet 4 erkennbar, während in der versetzten Position B-B' gemäß Fig. 2c nur das Hilfsgebiet 20 erkennbar ist.

Der Querschnitt C-C' zeigt die Bestandteile, die für das Funktionieren jedes MOSFET-Bauelementes erforderlich sind. Die Kontaktierung der P-Wanne 3 erfolgt dabei seitlich versetzt über die stark p-dotierten Hilfsgebiete 20 nach Fig. 2c. Im N-Gebiet 1 nahe des Kanalgebiets 16 erzeugte Minoritätsladungsträger können bei dieser Anordnung die Sourcegebiete 4 seitlich umfließen, indem sie direkt von den stark p-dotierten Hilfsgebieten 20 abgesaugt werden. Dadurch wird die Gefahr eines Aufsteuerns des parasitären Bipolartransistors vermindert, da durch die p-Bereiche 5 nun erheblich weniger Löcher fließen.

In einer alternativen Ausführungsform können weiterhin Kontaktierungsgebiete 11, wie in Fig. 1 bereits beschrieben, vorgesehen sein. Diese Erhöhen zwar wieder etwas die Gefahr eines Durchströmens des Untendurchwiderstands mit Minoritätsladungsträgern, stellen aber eine verbesserte Kontaktierung der P-Wanne 3 auch im Querschnitt C-C' bereit. Dabei kann ein Großteil der Minoritätsladungsträger weiterhin über die Hilfsgebiete 20 direkt abfließen. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform sind längs der Linie C-C' statt nur eines Kontaktes 13 mindestens zwei Kontakte angeordnet (in Fig. 2 nicht eingezeichnet): mindestens ein Sourcekontakt 13 zur Kontaktierung des Sourcegebiets 4 und ein weiterer Kontakt 14 zur Kontaktierung des Kontaktierungsgebiets 11, das optional einstückig mit dem Hilfsgebiet 20 verbunden sein kann.

Insbesondere vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung für Submikronstrukturen, das heißt wenn beispielsweise die p-Wanne 3, von der Oberfläche des Draingebiets 1 ausgerechnet, eine Tiefe von weniger als 1 µm aufweist. Wird in einer weiteren alternativen Ausführungsform die gesamte Fläche des Hilfsgebiets 20 kleiner gewählt als die Fläche des Sourcegebiets 4, so wird bei weiterhin vorhandenem gutem Schutz vor parasitären Bipolareffekten ein niedriger Drain- Source-Einsatzwiderstand (R_DS,ON) sichergestellt.

Claims (7)

1. MOSFET-Bauelement in einem schwach n-dotierten Gebiet (1), in das eine p-Wanne (3) eingebracht ist, wobei in die p-Wanne (3) ein stark n-dotiertes Sourcegebiet (4) eingebracht ist, wobei ein Parasittransistor (12) mit dem Sourcegebiet (4) als Emitter, der p-Wanne (3) als Basis und dem n-Gebiet (1) als Kollektor gebildet ist, wobei durch einen p-dotierten Bereich (5) der p-Wanne (3) unterhalb des Sourcegebiets ein Untendurchwiderstand (6) gebildet ist und wobei der Basis-Emitter-Strecke des Parasittransistors (12) ein p-leitfähiger Pfad parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitfähige Pfad ein stark p-dotiertes Hilfsgebiet (20) aufweist, das zum Untendurchwiderstand (6) parallelgeschaltet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Wanne (3) eine Tiefe von weniger als einem Mikrometer aufweist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in DMOS-Technologie ausgeführt ist.

4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark n-dotiertes Draingebiet (2) in das n-Gebiet (1) eingebracht ist.

5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitfähige Pfad einen durch ein stark p-dotiertes Kontaktierungsgebiet (11) gebildeten Teilpfad aufweist, wobei das Kontaktierungsgebiet (11) mit dem Untendurchwiderstand (6) in Reihe geschaltet ist.

6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgebiet (20) kleiner ist als das Sourcegebiet (4).

7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt p-dotierten Gebieten n-dotierte Gebiete und statt n-dotierten p-dotierte Gebiete vorgesehen sind.