DE3105693C2

DE3105693C2 -

Info

Publication number: DE3105693C2
Application number: DE3105693A
Authority: DE
Inventors: Alvin Malcolm Princeton N.J. Us Goodman; Ramon Ubaldo Hightstown N.J. Us Martinelli
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1992-12-10
Also published as: YU41520B; GB2070331A; PL229786A1; FR2476914A1; SE456291B; YU42481A; DE3105693A1; JPH0213830B2; IT1135091B; IT8119216A0; FR2476914B1; PL136606B1; SE8100148L; GB2070331B; JPS56131961A

Description

Die Erfindung betrifft ein vertikales MOSFET-Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. MOSFET-Bauelemente (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gehören zu den Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET). Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf vertikale, doppelt diffundierte Bauelemente (VDMOS-Transisto ren).

Ein herkömmlicher IGFET ist ein Unipolar-Transistor. In einem solchen Bauelement kann Strom von einer Sourcezone durch einen Kanal in einer Basiszone zur Drainzone flie ßen. Die Source-, Kanal- und Drainzonen sind N- oder p- leitend, die Basiszone besitzt jeweils entgegengesetzten Leitungstyp. Der Kanal wird mit Hilfe eines durch Ladun gen auf einer benachbarten Gate-Elektrode erzeugten elek trostatischen Feldes induziert oder entfernt, je nach dem ob es sich um ein Bauelement des Anreicherungstyps oder des Verarmungstyps handelt. Die Gate-Elektrode liegt zwi schen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode. Source- und Drain-Elektroden werden auf die entsprechen den Source- und Drainzonen gesetzt. In einem MOSFET-Bau element wird die Gate-Elektrode mit Hilfe einer Oxid schicht gegenüber der Oberfläche des jeweiligen Halblei terkörpers isoliert.

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 kontak tierten 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 durch eine horizontale Komponente (parallel zu der Halbleit teroberfläche) besitzt. Der Übergang von dem entsprechen den horizontalen in den vertikalen Stromfluß führt jedoch zu einer Stromverdichtung bzw. Stromeinschnürung. Hier durch 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 C_GD zu berücksichtigen ist. Nach Multiplikation der Spannungs-Verstärkung

des Bauelements - das ist die Änderung der Drain-Spannung V_D relativ zur Gate-Spannung V_G bei festem Drain-Wider stand R_D wird diese Kapazität als Miller-Rückkopplungska pazität bezeichnet. Die Rückkopplungskapazität beein trächtigt den Betrieb des Bauelements bei hohen Geschwin digkeiten und Spannungen.

In der US-PS 38 45 495 wird ein doppelt diffundiertes, planares MOSFET-Bauelement beschrieben. Alle Zonen und Elektroden dieses Bauelements befinden sich an einer ein zigen, ebenen Halbleiterfläche. Dort folgen - z. B. kon zentrisch - aufeinander eine Sourcezone, eine Basiszone, ein Substratbereich und eine Drainzone; über dem eben falls als Drain wirkenden Substratbereich befindet sich eine sogenannte Feldplatte, die gegenüber dem über der Basiszone liegenden Gate isoliert ist. Die Feldplatte dient im Bekannten dazu, die an den Übergang von Basis- und Drainzone angrenzende Verarmungszone möglichst weit in die Drainzoe an der Halbleiteroberfläche auszudehnen. Dadurch wird beabsichtigt, das elektrische Feld an der Oberfläche zu vermindern und so einem Durchbruch im In nern des Halbletierkörpers und nicht an dessen Oberfläche stattfinden zu lassen.

Durch die nach der vorgenannten US-PS 38 45 495 vorgese hene Trennung von Gate-Elektrode und Feldplatte wird die Drain/Gate-Rückkopplungskapazität vermindert. Außerdem können Gate und Feldplatte unabhängig voneinander vorge spannt werden. Das bekannte Bauelement ist aber wegen seines planaren Aufbaus mit allen aktiven Zonen und Elek troden auf einer ebenen Halbleiterfläche mit einem verti kalen MOSFET-Bauelement insbesondere wegen der innerhalb des Halbleiterkörpers stattfindenden Prozesse nicht ver gleichbar; insbesondere kann die oben genannte Stromver dichtung nicht auftreten.

Ein vertikales MOSFET-Bauelement wird in der US-PS 39 50 777 beschrieben. Bei diesem für höchste Frequenzen ausgelegten Bauelement soll die Kanallänge verkleinert werden, ohne die Durchbruchspannung zu vergrößern. Zu diesem Zweck wird im Bekannten eine Gate-Elektrode vorge sehen, die sich an einer Halbleiteroberfläche über die Drainzone, die Basiszone und die Sourcezone hinweger streckt, ohne daß nach den dortigen Angaben die Frequenz charakteristiken des Bauelements verschlechtert würden. Außerdem soll bei diesem Bauelement, ähnlich wie im Falle der US-PS 38 45 495, die Rückkopplungskapazität zwischen Gate und Drain vermindert werden. Hierzu wird die Vergrö ßerung der Dicke der Isolierschicht oberhalb der Drain zone - relativ zur Dicke der Gate-Isolierschicht oberhalb des Kanals - vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vertikales MOSFET-Bauelement mit verminderter Rückkopplungskapazität und zugleich verminderter Stromverdichtung zu schaffen, so daß das Bauelement für höhere Frequenzen und höhere Spannungen einsetzbar ist. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 beschrieben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Un teransprüchen angegeben.

Bei dem vertikalen MOSFET-Bauelement werden die Rückkopp lungskapazität und die Stromversorgung erfindungsgemäß durch eine einzige Maßnahme, nämlich durch die Schirm elektrode, minimiert. Die Schirmelektrode soll nahe der Gate-Elektrode auf dem Teil des an die erste Hauptfläche heranreichenden Drain-Fortsatzes liegen, der dem Kanalbe reich benachbart ist. Da die Schirmelektrode bei Betrieb des Bauelements mit einer konstanten Spannung - und nicht mit der gegebenenfalls hochfrequent oszillierenden Span nung des Gates - zu beaufschlagen ist, trägt sie nicht zu einer Rückkopplungskapazität bei. Da weiterhin die mit einer konstanten Spannung zu beaufschlagende Schirmelek trode oberhalb des Drain-Fortsatzes ein konstantes elek trostatisches Feld an der ersten Hauptfläche erzeugt, werden in diesem Bereich die Leitfähigkeit erhöht und der raumladungsbegrenzte Strom angereichert.

Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein herkömmliches VDMOS-Bau element; und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes VDMOS- Bauelement.

Fig. 1 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 Haupt flächen grenzen eine Sourcezone 18, eine Basiszone 20 und eine Drainzone 22 abwechselnden Leitungstyps an. Zur Drainzone 22 gehören ein Bereich 24 relativ hohe Leitfä higkeit, der an die zweite Hauptfläche 16 angrenzt, und ein Drain-Fortsatz 26 geringerer Leitfähigkeit, der bis zur ersten Hauptfläche 14 reicht. Bei einem typischen Aufbau erstreckt ein durch den Drain-Fortsatz 26 ge teiltes Paar von Basiszone 20 von der ersten Hauptfläche 14 aus in das Substrat 12 hinein und bildet ein Paar PN- Übergänge 23 an der Grenze von Basis- und Drainzone. In nerhalb der Grenzen der Basiszone 20 erstreckt sich ein entsprechendes Paar von Sourcezonen 18 von der ersten Hauptfläche 14 aus in das Substrat. Die Sourcezonen wer den mit Bezug auf den dazwischenliegenden Drain-Fortsatz 26 so angeordnet, daß ein Paar Kanalbereiche 28 an der ersten Oberfläche 14 jeder Basiszone 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 Basiszone 20 in einem von dem Kanalbereich 28 abgewandten Bereich mit Hilfe ei ner Source-Elektrode 32 kontaktiert. Auf der ersten Hauptfläche 14 wird sowohl über dem Paar von Kanalberei chen 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.

In Fig. 2 wird ein erfindungsgemäßes VDMOS-Bauelement 50 im Schnitt dargestellt. Im Innern ist die Struktur des Halbleiterkörpers bei dem Baulement 50 im wesentlichen ähnlich derjenigen des bekannten Bauelements 10 nach Fig. 1. Daher werden in Fig. 2 für gleiche oder sich entspre chende 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 Be kannten 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 an 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 Ba sis/Drain-Übergang 23 liegen, und die Schirm-Elektrode 56 soll bis nahe an die Kante 58 heranreichen, aber noch ge genüber 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 Isolie ren der Gate-Elektroden 52 dient. Die Gate-Elektroden und die Schirm-Elektrode müssen jedoch nicht auf ein und der selben kontinuierlich durchgehenden Oxid-Schicht liegen. In einem typischen Bauelement 50 liegt die Kanallänge in der Größenordnung von 5 Mikrometern, die Dicke der Oxid schicht 54 beträgt etwa 100 Nanometer, und der Abstand zwischen Gate- und Schirm-Elektrode liegt in der Größen ordnung von 100 Nanometern bis 5 Mikrometern.

Das erfindungsgemäße Bauelement 50 läßt sich mit in der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren herstellen. Ein solches Verfahren wird in der US-PS 40 55 884 beschrie ben. Als Änderung bzw. Ergänzung des bekannten Verfahrens ist zum Herstellen der erfindungsgemäßen Struktur ledig lich das zusätzliche Erzeugen des Musters der Schirmelek trode 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 dem beschrie benen, ein Paar von Basis- und Sourcezonen enthaltenden VDMOS-Bauelement 50 lediglich um ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung handelt. Unter die Erfindung fällt beispielsweise auch ein Bauelement mit jeweils ei ner einzelnen Basis- und Sourcezone. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß anstelle der in der Zeichnung verwende ten Folge von Leitungstypen mit einem N-Kanal-Bauelement auch eine Umkehrung der Leitngstypen 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 grö ßere Bauelement eine Vielzahl von Bereichen enthalten, die jeder einen Querschnitt gemäß Fig. 2 haben. Diese Vielzahl von Bauelementen kann in der auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannten Form eines ineinanderfin gierten Gitters oder einer Mäander-Gate-Struktur vorlie gen.

Das erfindnungsgemäße VDMOS-Bauelement 50 ist namentlich zum Betrieb bei hoher Leistung und hoher Frequenz ge eignet; es kann sowohl im Anreicherungs- als auch im Ver armungsbereich angewendet werden. Typische passende Be triebsbedingungen 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 grö ßer als die Gate-Vorspannung ist. In dem Beispiel soll die Schirmelektrode 56 mit einer Vorspannung in der Grö ßenordnung von 30 bis 60 Volt beaufschlagt werden.

Der Stromfluß 60 durch das Bauelement verläuft im wesent lichen vertikal, d. h. senkrecht zu den Hauptflächen 14 und 16; er enthält jedoch auch eine horizontale Kompo nente. Ladungsträger fließen im wesentlichen horizontal von den Sourcezonen 18 aus durch die Kanalbereiche 29 zum Drain-Fortsatz 26 und von dort aus im wesentlichen verti kal durch die Drainzone 22 zur Drain-Elektrode 30.

Durch die Gegenwart der Schirmelektrode 56 wird die Lei stung 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 un erwünschte Miller-Rückkopplungkapazität bei Betrieb des Bauelements. Im erfindungsgemäßen Bauelement 50 wird die Miller-Rückkopplungskapazität dadurch auf einen minimalen (nicht mehr störenden) Wert herabgesetzt, daß die Gate- Elektrode 58 nur noch über den Kanalbereich 28 angeord net wird. Obgleich die Schirmelektrode 56 den Drain-Fort satz 26 überdeckt, trägt sie nicht zur Rückkopplungskapa zität 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 her abgesetzt, wodurch erreicht wird, daß der für den Strom fluß zur Verfügung stehende, raumladungsbegrenzte Ober schnitt 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-Fort satz 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-Fortsatz 26 ein konstantes elektrostatisches Feld an der Hauptfläche 14 des Drain-Fortsatzes erzeugt. Die ses Feld zieht Ladungsträger in den Bereich, erhöht die Leitfähigkeit und reichert den raumladungsbegrenzten Strom an der Hauptfläche 14 des Drain-Fortsatzes 26 an. Die Schirmelektrode 56 vermindert die Stromverdichtung bzw. -einschnürung im Drain-Fortsatz 26 bis auf ein sol ches Maß, daß ein elektrostatisches Feld erzeugt wird, das größer als das durch die oszillierende Gate-Spannung verursachte Feld ist.

Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf VDMOS- Strukturen, d. h. auf vertikale, doppelt diffundierte MOS- Bauelemente näher erläutert. Die erfindungsgemäße Schirm elektrode kann aber auch im VMOS-Bauelementen, also MOS- Bauelementen mit V-Nut und in planaren MOS-Strukturen an gewendet werden. In VMOS- und planaren MOS-Bauelementen liegt die erfindungsgemäße Schirmelektrode ebenfalls auf dem an den Kanalbereich der Basiszone angrenzenden Drain- Fortsatz. Auch in diesem Fall werden durch die Schirm elektrode die Miller-Rückkopplungskapazität und die Stromverdichtung bzw. -einschnürung minimiert und gleich zeitig das Niveau des raumladungsbegrenzten Stroms in der Drainzone erhöht.

Claims

1. Vertikales MOSFET-Bauelement mit einem gegenüberlie gende, erste und zweite Hauptflächen (14, 16) aufwei senden, halbleitenden Substrat (12) und folgenden weiteren Merkmalen:

a) eine sich über die zweite Hauptfläche (16) er streckende und einen bis zur ersten Hauptfläche (14) reichenden Drain-Fortsatz (26) besitzende Drainzone (22);
b) eine sich in das Substrat (12) von der ersten Hauptfläche (14) aus erstreckende und durch den Drain-Fortsatz (26) begrenzte Basiszone (20);
c) eine sich innerhalb der Grenzen der Basiszone (20) von der ersten Hauptfläche (14) aus in das Substrat (12) erstreckende Sourcezone (18);
d) einen an der ersten Hauptfläche (14) durch die Sourcezone (18) und den Drain-Fortsatz (26) de finierten Kanalbereich (28);
e) eine die Sourcezone (18) und die Basiszone (20) an der ersten Hauptfläche (14) kontaktierende Source-Elektrode (32);
f) eine die Drainzone (22) an der zweiten Hauptfläche (16) kontaktierende Drain-Elektrode (30); und
g) eine isolierte Gate-Elektrode (52) auf der ersten Hauptfläche (14) über dem Kanalbereich (28), dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten Hauptfläche (14) über dem Drain-Fort satz (26) eine gegenüber der Gate-Elektrode (52) iso lierte Schirmelektrode (56) angeordnet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drainzone (22) ein an der zweiten Hauptfläche (16) angrenzender, mit der Drain-Elektrode (30) kontak tierter, relativ gut leitender Bereich (24) gehört.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei net, daß der Drain-Fortsatz (26) an der ersten Haupt fläche (14) ein Paar von Basiszonen (20) mit einem darin befindlichen Paar von Sourcezonen (18) sowie Kanalbereichen (28) teilt, und daß ein Paar isolierter Gate-Elektroden (52) auf der ersten Hauptfläche (14) über dem Paar von Kanalbereichen (28) liegt.

4. Bauelement nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Gate- und Schirmelektro den (52, 56) eine Oxidschicht (54) angeordnet ist.

5. Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß sich auf der ersten Hauptfläche (14) auf dem Sourcezonenpaar (18) ein Paar von Source-Elektroden (32) befindet.