DE3105693A1 - "mosfet-bauelement" - Google Patents

"mosfet-bauelement"

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DE3105693A1 DE19813105693 DE3105693A DE3105693A1 DE 3105693 A1 DE3105693 A1 DE 3105693A1 DE 19813105693 DE19813105693 DE 19813105693 DE 3105693 A DE3105693 A DE 3105693A DE 3105693 A1 DE3105693 A1 DE 3105693A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein MOSFET-Bauelement mit Sourcezone und Drainzone des einen Leitungstyps an einer ersten .Hauptfläche eines halbleitenden Substrats mit einer eine sich zwischen Source- und Drainzone erstreckende Kanalzone aufweisenden Körperzone des anderen Leitungstyps, wobei über der Kanalzone eine Gate-Elektrode angeordnet und die Sourcezone mit einer Source-Elektrode sowie die Drainzone mit einer Drain-Elektrode kontaktiert sind. MOSFET-Bauelemente (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gehören zu den Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET). Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf sogenannte vertikale MOSFET-Bauelemente, vazugsweise auf vertikale, doppelt diffundierte Bauelemente (VDMOS-Transistoren).
Ein herkömmlicher IGFET ist ein Unipolar-Transistor. In einem solchen Bauelement kann Strom von einer Sourcezone durch einen Kanal in einer Körperzone zur Drainzone fließen. Die Source-, Kanal- und Drainzonen sind N- oder P-leitend, die Körperzone besitzt jeweils entgegengesetzten Leitungstyp. Der Kanal wird mit Hilfe eines durch Ladungen auf einer benachbarten Gate-Elektrode erzeugten elektrostatischen Feldes induziert oder entfernt, je nach dem ob es sich um ein Bauelement des Anreicherungstyps oder des Verarmungsijps handelt. Die Gate-Elektrode liegt zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode. Source- und Drain-Elektroden werden auf die entsprechenden Source- und Drainzonen gesetzt. In einem MOSFET-Bauelement wird die Gate-Elektrode mit Hilfe einer Oxidschicht gegenüber der Oberfläche des jeweiligen Halbleiterkörpers isoliert.
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In vertikalen MOSFET-Bauelementen werden die Source- und Drain-Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers angeordnet. Sie verursachen daher einen im wesentlichen vertikalen, d.h. senkrecht zu den kontaktierten Oberflächen des Halbleiterkörpers verlaufenden Strom durch das Bauelement. Dabei befindet sich die Gate-Elektrode auf derselben Halbleiteroberfläche wie die Source-Elektrode. Dadurch entsteht eine Konfiguration, in der der Stromfluß durch den Kanal unter dem Gate auch eine horizontale Komponente (parallel zu der Halbleiteroberfläche) besitzt. Der Übergang von dem entsprechenden horizontalen in den vertikalen Stromfluß führt jedoch zu einer Stromverdichtung bzw. Stromeinschnürung. Hierdurch wird die Bauelementleistung durch Verminderung der maximal erreichbaren Spannungsverstärkung begrenzt.
Außerdem überdeckt das Gate in typischen VDMOS-Strukturen den dem Kanal benachbarten Teil der Drainzone, so daß eine Gate-Drain-Kapazität CQD zu berücksichtigen ist. Nach Multiplikation der Spannungs-Verstärkung
des Bauelements - das ist die Änderung der Drain-Spannung VD relativ zur Gate-Spannung VG bei festem Drain-Widerstand RD wird diese Kapazität als Miller-Rückkpplungskapazität
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bezeichnet. Die Rückkopplungskapazität beeinträchtigt den Betrieb des Bauelements bei hohen Geschwindigkeiten und Spannungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Bauelement eingangs genannter Art, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine Struktur zu schaffen, die bei Verminderung der Rückkopplungskapazität und der Stromverdichtung bzw. -einschnürung in vertikalen MOSFET-Bauelementen den Betrieb bei höheren Frequenzen und höheren Spannungen ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch eine die.Rückkopplungskapazität und Stromverdichtung bzw. -einschnürung minimierende Schirmelektrode auf der Drainzone an der ersten Hauptfläche.
Die Rückkopplungskapazität und die Stromverdichtung werden erfindungsgemäß durch eine über der Drainzone an der ersten Hauptfläche des Bauelements angeordnete Schirmelektrode minimiert. Die Schirmelektrode wird dabei vorzugsweise nahe der Gate-Elektrode angeordnet und soll auf dem Teil der Drainzone liegen, der dem Kanalbereich des Bauelements benachbart ist. Weitere Verbesserungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen;
Fig. 1 einen Schnitt durch ein herkömmliches VDMOS-Bauelement und
Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes VDMOS-Bauelement.
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i zeigt ein bekanntes VDMOS-Bauelement 10 mit einem im wesentlichen planaren Substrat 12, das eine erste und eine zweite Hauptfläche 14 bzw. 16 besitzt. An die Hauptflächen grenzen eine Sourcezone 18, eine Körperzone 20 und eine Drainzone 22 abwechselnden Leitungstyps an. Zur Drainzone 22 gehört ein Bereich 24 relativ hoher Leitfähigkeit, der an die zweite Hauptfläche 16 angrenzt und einen Drain-Fortsatz 26 geringerer Leitfähigkeit besitzt, der bis zur ersten Hauptfläche 14 reicht. Bei einem typischen Aufbau erstreckt sich ein durch den Drain-Fortsatz 26 geteiltes Paar von Körperzonen 20 von der ersten Hauptfläche 14 aus in das Substrat 12 hinein und bildet ein Paar PN-Übergänge 23 an der Grenze von Körper- und Drainzone. Innerhalb der Grenzen der Körperzonen 20 erstreckt sich ein entsprechendes Paar von Sourcezonen 18 von der ersten Hauptfläche 14 aus in das Substrat. Die Sourcezonen werden mit Bezug auf den dazwischenliegenden Drain-Fortsatz 26 so angeordnet, daß ein Paar Kanalbereiche 26 an der ersten Oberfläche 14 jeder Körperzone 20 zu bilden ist.
Über die zweite Hauptfläche 16 erstreckt sich eine Drain-Elektrode 30 und kontaktiert den relativ gut leitenden Bereich 24 der Drainzone 22. Auf der ersten Hauptfläche 14 werden jede Sourcezone 18 und Körperzone 20 in einem von dem Kanalbereich 28 abgewandten Bereich mit Hilfe einer Source-Elektrode 32 kontaktiert. Auf der ersten Hauptfläche 14 wird sowohl über dem Paar von Kanalbereichen 28 als auch über dem sich zwischen die Kanalbereiche erstreckenden Drain-Fortsatz 26 ein Gate 34 angeordnet. Das Gate 34 umfaßt typisch ein Gate-Oxid 36 auf der Hauptfläche 14 und eine Gate-Elektrode 38 auf dem Oxid.
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In Fig. 2 wird ein erfindungsgemäßes VDMOS-Bauelement 50 im Schnitt dargestellt. Im Innern ist die Struktur des HaIbleiterkörpers bei dem Bauelement 50 im wesentlichen ähnlich derjenigen des bekannten Bauelements 10 nach Fig. 1. Daher werden in Fig. 2 für gleiche oder sich entsprechende Teile und Bereiche dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt. Das gilt auch für die Drain-Elektrode 30 und die Source-Elektrode 32. Es wird jedoch eine vom Bekannten abweichende Gate-Elektrode 52 vorgesehen. Diese wird im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 über jedem Kanalbereich 28 angeordnet und gegenüber der ersten Hauptfläche 14 durch eine Oxidschicht 54 isoliert.
Erfindungsgemäß wird über der ersten Hauptfläche 14 eine isolierte Schirmelektrode 56 so angeordnet, daß sie über dem an die Kanalbereiche 28 angrenzenden Drain-Fortsatz 26 liegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll eine Kante 58 jeder Gate-Elektrode 52 direkt über dem Körper/Drain-^ Übergang 23 liegen, und die Schirm-Elektrode 56 soll bis nahe an die Kante 58 heranreichen, aber noch gegenüber der Kante 58 isoliert sein. Die Schirm-Elektrode 56 wird gegenüber der ersten Hauptfläche 14 mit Hilfe derselben Oxid-Schicht 54 isoliert, die auch zum Isolieren der Gate-Elektroden 52 dient. Die Gate-Elektroden und die Schirm-Elektrode müssen jedoch nicht auf ein und derselben kontinuierlich durchgehenden Oxid-Schicht liegen. In einem typischen Bauelement 50 liegt die Kanallänge in der Größenordnung von 5 Mikrometern, die Dicke der Oxidschicht 54 beträgt etwa 100 Nanometer, und der Abstand zwischen Gate- und Schirm-Elektrode liegt in der Größenordnung von 100 Nanometern bis 5 Mikrometern.
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Das erfindungsgemäße Bauelement 50 läßt sich mit in der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren herstellen. Ein solches Verfahren wird in der US-PS 40 55 884 beschrieben. Als Änderung bzw. Ergänzung des bekannten Verfahrens ist zum Herstellen der erfindungsgemäßen Struktur lediglich das zusätzliche Erzeugen des Musters der Schirmelektrode 56 sowie der Schirmelektrode selbst erforderlich. Im wesentlichen kann dabei auf dieselbe Weise vorgegangen werden wie beim Herstellen einer Standard-Gate-Elektrode.
Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei den beschriebenen, ein Paar von Körper- und Sourcezonen enthaltenden VDMOS-Bauelement 50 lediglich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt. Unter die Erfindung fällt beispielsweise auch ein Bauelement mit jeweils einer einzelnen Körper- und Sourcezone. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß anstelle der in der Zeichnung verwendeten Folge von Leitungstypen mit einem N-Kanal-Bauelement auch eine Umkehrung der Leitungstypen mit einem P-Kanal-Bauelement ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellte.
Das VDMOS-Bauelement 50 kann ferner Bestandteil eines größeren Bauelements sein. Beispielsweise kann das größere Bauelement eine Vielzahl von Be'reichen enthalten, die jeder einen Querschnitt gemäß Fig. 2 haben. Diese Vielzahl von Bauelementen kann in der auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannten Form eines ineinandergefingerten Gitters oder einer Mäander-Gate -Struktur vorliegen.
Das erfindungsgemäße VDMOS-Bauelement 50 ist namentlich zum Betrieb bei hoher Leistung und hoher Frequenz geeignet; es
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kann sowohl im Anreicherungs- als auch im Verarmungsbetrieb angewendet werden. Typische passende Betriebsbedingungen sind beispielsweise bei einem N-Kanal-Bauelement des Anreicherungstyps eine geerdete Source-Elektrode 32, eine mit etwa 400 Volt beaufschlagte Drain-Elektrode 30 und eine mit zwischen 0 und etwa 30 Volt bei einer Frequenz in der Größenordnung von 100 MHz versorgte Gate-Elektrode 52. Die Schirmelektrode 56 wird dabei auf einer im wesentlichen konstanten, positiven Vorspannung gehalten, die ähnlich groß aber in typischen Fällen größer als die Gate-Vorspannung ist. In dem Beispiel soll die Schirmelektrode 56 mit einer Vorspannung in der Größenordnung von 30 bis 60 Volt beaufschlagt werden.
Der Stromfluß 60 durch das Bauelement verläuft im wesentlichen vertikal, d.h. senkrecht zu den Hauptflächen 14 und 16; er enthält jedoch auch eine horizontale Komponente. Ladungsträger fließen im wesentlichen horizontal von den Sourcezonen 18 aus durch die Kanalbereiche 28 zum Drain-Fortsatz 26 und von dort aus im wesentlichen vertikal durch die Drainzone 22 zur Drain-Elektrode 30.
Durch die Gegenwart der Schirmelektrode 56 wird die Leistung des Bauelements 50 beträchtlich verbessert. Wie oben erläutert worden ist, überdeckt die Gate-Elektrode 38 im bekannten Bauelement 10 den Drain-Fortsatz 26 auf der ersten Hauptfläche 14 und verursacht dadurch.die unerwünschte Miller-Rückkopplungskapazität bei Betrieb des Bauelements. Im erfindungsgemäßen Bauelement 50 wird die Miller-Rückkopplungskapazität dadurch auf einen minimalen (nicht mehr störenden ) Wert
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herabgesetzt, daß die Gate-Elektrode 58 nur noch über den Kanalbereichen 28 angeordnet werden. Obgleich die Schirmelektrode 56 den Drain-Fortsatz 26 überdeckt, trägt sie nicht zur Rückkopplungskapazität bei, weil sie mit einer konstanten Spannung und nicht mit der typisch oszillierenden Spannung des Gates 34 beaufschlagt wird.
Durch die Schirmelektrode 56 wird außerdem das Maß der Stromverdichtung bzw. -einschnürung auf ein Minimum herabgesetzt, wodurch erreicht wird, daß der für den Stromfluß zur Verfügung stehende, raumladungsbegrenzte Querschnitt des Drain-Fortsatzes 26 vergrößert wird. Die von einer Verstärkung des elektrischen Feldes begleitete Stromeinschnürung bzw. -verdichtung tritt am Übergang des horizontalen Stromflusses (durch die Kanalbereiche 28) zum vertikalen Stromfluß (durch den Drain-Fortsatz 26) auf. Die Einschnürung ist am schärfsten in den Bereichen, an denen die PN-Übergänge 23 die erste Hauptfläche 14 schneiden. Raumladungsbegrenzter Strom in dem Drain-Fortsatz 26 ist eine Funktion der Zahl der Majoritätsträger in dem Bereich.
Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Bauelements 50 wird durch die Existenz der Schirmelektrode 56 oberhalb des Drain-Fortsatzes 26 ein konstantes elektrostatisches Feld an der Hauptfläche 14 des Drain-Fortsatzes erzeugt. Dieses Feld zieht Ladungsträger in den Bereich, erhöht die Leitfähigkeit und reichert den raumladungsbegrenzteri Strömen der Hauptfläche 14 des Drain-Fortsatzes 26 an. Die Schirmelektrode 26 vermindert die Stromverdichtung bzw. -einschnürung im Drain-Fortsatz 26 bis auf ein solches Maß, daß ein elektro-
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statisches Feld erzeugt wird, das größer als das durch die oszillierende Gate-Spannung verursachte Feld ist.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf TOMOS-Strukturen, d.h. auf vertikale, doppelt diffundierte MOS-Bauelemente näher erläutert. Die erfindungsgemäße Schirmelektrode kann aber auch in VMOS-Bauelementen, alao MOS-Bauelementen mit V-Nut und in planaren MOS-Strukturen angewendet werden. In VMOS- und planaren MOS-Bauelementen liegt die erfindungsgemäße Schirmelektrode ebenfalls auf dem an den Kanalbereich der Körperzone angrenzenden Drain-Fortsatz. Auch in diesem Fall werden durch die Schirmelektrode die Miller-Rückkopplungskapazität und die Stromverdichtung bzw, -einschnürung minimiert und gleichzeitig das Niveau des raumladungsbegrenzten Stroms in der Drainzone erhöht.
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Claims (1)

  1. Dr.-lng. Reimap König ■- ■- DipT.-lng.'Klaus Bergen Cecilienallee 7B Λ Düsseldorf 3O Telefon 45ΞΟΟ8 Patentanwälte
    16.Februar 1981 33 853 B
    RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
    "MOSFET-Bauelement"
    Patentansprüche:
    MOSFET-Bauelement (50) mit Source-Zone (18) und Drain-Zone (26) des einen Leitungstyps (N) an einer ersten Hauptfläche (16) eines halbleitenden Substrats (12) mit einer eine sich zwischen Source- und Drain-Zone (18, 26) erstreckende Kanalzone (28) aufweisenden Körperzone (20) des anderen Leitungstyps (P), wobei über der Kanalzone (28) eine Gate-Elektrode (52) angeordnet und die Source-Zone (18) mit einer Source-Elektrode (32) sowie die Drain-Zone (26) mit einer Drain-Elektrode (30) kontaktiert sind, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungs-Kapazität und Stromverdichtung minimierende Schirmelektrode (56) über der Drain-Zone (26) an der Hauptfläche (14). '
    Bauelement nach Anspruch 1 mit einem ein im wesentlichen planares Substrat (12) mit einer der ersten Hauptfläche (14) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (16) aufweisenden VDMOS-Transistor, bei dem die Drain-Zone (22) an der zweiten Hauptfläche (16) angeordnet ist und einen sich zur ersten Hauptfläche (14) erstreckenden Drain-Fortsatz (26) besitzt,
    130048/0696
    dadurch gekennzeichnet, daß die Schirm-Elektrode (56) auf dem Drain-Fortsatz (26) an der ersten Hauptfläche (14) liegt.
    3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich unter der Schirm-Elektrode (56) eine Oxidschicht (54) befindet.
    1 30048/0696
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