DE3121224A1 - "mos-halbleiterbauelement fuer hohe betriebsspannungen" - Google Patents

"mos-halbleiterbauelement fuer hohe betriebsspannungen"

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Description

TER MEER-MÜLLER · STEINMEISTER- --- Sharp 1666-GER-A
- 4 BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf MOS-Halbleiterbauelemente wie MOS-Transistoren für hohe Betriebsspannungen und betreffen insbesondere ein Halbleiterbauelement der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art.
Bei MOS-Transistoren läßt sich eine Verbesserung der Standfestigkeit gegenüber hohen Betriebsspannungen durch Unterdrückung von Feldkonzentrationen am Rand einer Gate-Elektrode erreichen, wenn eine zusätzliche Schicht mit hohem Widerstand als Teil des Drainbereichs angeordnet wird, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Drainbereich ist.
Der bekannte Transistor hat ein Substrat vom P-Typ, eine Sourceschicht vom N -Typ, eine Drainschicht vom N -Typ, eine P -Schicht, eine N~-Schicht hohen spezifischen Widerstands, je eine Source- und Drain-Elektrode, Isolierschichten, eine Gate-Elektrode, Feldplattenschichten und eine zusätzliche Feldplattenschicht aus Al, polykristallinem Silicium o.dgl.. Die P -Schicht umgibt die Sourceschicht vom N -Typ und bildet einen Gate-Kanal des Transistors; sie ist in einem Diffusionsprozeß mit sog. Selbstausrichtung erzeugt worden. Ein MOS-Transistor für hohe Betriebsspannungen, der unter Anwendung eines solchen Diffusionsprozesses mit Selbstausrichtung hergestellt und auf den hier Bezug genommen wird, ist in der US-Patentschrift 4 058 822 beschrieben.
Die um die N -Drainschicht herum angeordnete N~-Schicht mit hohem spezifischen Widerstand ist Teil des Drainbereichs und soll Feldkonzentrationen an einem Rand der ' Gate-Eletrode verhindern. Source- und Drain-Elektrode bestehen jeweils aus
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Al, polykristallinem Silicium o.dgl. . Jede der Feldplattenschichten erstreckt sich jeweils von der Source- bzw. von-der Drain-Elektrode aus. Die Gate-Elektrode ist aus Al oder polykristallinem Silicium (Silicium-Gate genannt) hergestellt. Die Herstellung der Schicht erfolgt gleichzeitig mit dem Präparieren des Silicium-Gates. Die Feldplattenschicht bewirkt eine Reduzierung einer Feldkonzentration an den Rändern der Gate-Elektrode, und die Feldplattenschichten bewirken eine Feldkonzentrationsverminderung an der Grenze zwischen der N -Schicht und der N~-Schicht.
Falls die eine und/oder andere Feldplattenschicht gewisse Grenzen überschreitet, kann sie gegenüber dem Drainabschnitt und/oder der Gate-Elektrode einen deutlichen umgekehrten Feldplatteneffekt bewirken und dadurch die Spannungsfestigkeit reduzieren. Zur Unterdrückung dieses umgekehrten Feldplatteneffekts enthält der bekannte Transistor einen Bereich A,der N~-Schicht mit hohem spezifischem Widerstand, der nicht mit Feldplattenschichten aus Al oder polykristallinen Silicium bedeckt ist. Damit ändert sich aber zwangsläufig auch der Betrag einer im EIN-Zustand aufnehmbaren Spannung, der Betrag des Drainstroms und der Wert von REIN*
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für hohe Betriebsspannungen geeigneten MOS-Transistor so zu verbessern, daß die aufgeführten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.
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Sharp 1666-GER-A
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäß gestaltete MOS-Transistor hat in der Nähe eines Drainbereichs eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand, die weitgehend vollständig durch, mind, eine leitfähige Schicht abgedeckt ist. Dadurch werden Einflüsse durch von außen zugeführte Ladungen verhindert; dies wird als Feldplatteneffekt bezeichnet. Der erfindungsgemäße MOS-Transistor ist besonders für hohe Betriebsspannungen geeignet.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen MOS-Transistors bildet eine seinen Kanalbereich überdeckende und aus in mehreren Schichten angeordneten Elementen bestehende Abdeckung. Zwischen den einzelnen Abdeckelementen befinden sich Isolierschichten. Vorzugsweise umfaßt die Abdeckung erste und zweite Abdeckschichten, die keinerlei Verbindungen zu den Drain-, Source- und Gate-Elektroden haben. Eine Feldplattenschicht bildet eine der Abdeckschichten und liegt über den ersten und zweiten Abdeckschichten.
Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MOS-Transistors,
und
Fig. 2(a) bis 2(f) Produktionsschritte bei der Herstellung des Transistors von Fig. 1.
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TER MEER· MÜLLER · STENMEISTER-- .'-" '--" --- Sharp 1666 -GER-A
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MOS-Transistors für hohe Betriebsspannungen besteht aus einem Halbleitersubstrat 1 vom P-Typ, je einem Sourcebereich 2 und einem Drainbereich 3 vom N -Typ, einem Bereich 4 vom P -Typ, einer Pinch-Schicht vom N~-Typ mit hohem spezifischem Widerstand, einem dotierten Feldbereich 6, einer Source-Elektrode 8, Drain-Elektroden 9 und Gate-Elektroden 10, Isolierschichten 11, 12 und 15, potentialmäßig schwimmenden Elementen 13, 13·, Feldplatten 8', 9' und 14 sowie einer Schutzisolierschicht 16.
Der P -Bereich 4 dient als Gate-Kanal dieses MOS-Transistors " und ist mittels bekannter "Selbstausrichtungstechnik" um den N -Source-Bereich 2 herumgeformt. Die N~-Pinch-Schicht 5 und die Drain-Elektrode 9 sind mit dem N -Drainbereich 3, und die Source-Elektrode 8 mit dem N -Sourcebereich 2 verbunden. Das potentialmäßig schwimmende Element 13 ist vorzugsweise aus Al, polykristallinem Silicium^ Mo, W o.dgl. hergestellt, durch die Isolierschicht 12 abgedeckt und auf diese Weise von den Feldplatten 81 und 9" getrennt, welche von der Source-Elektrode 8 bzw. Drain-Elektrode 9 ausgehen.
Die vorzugsweise aus polykristallinem Silicium hergestellte Feldplatte 14 geht von der Drain-Elektrode aus. Das von dem Drainbereich 3 abgekehrte Ende der Schicht 5 ist von dem P+-Kanalbereich 4 durch einen Trennabschnitt 7 getrennt. Der außerhalb des Bereichs 4 liegende Bereich 6 ist durch Dotierung von Verunreinigungen in eine P Schicht verwandelt und die Source-Elektrode 8 ist außer mit Bereich 2 auch mit denEereichen 4 und 6 verbunden.
Die bestehende Verbindung zwischen dem Kanalbereich 4,
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Sourcebereich 2 und dotierten Feldbereich 6 sowie die Anordnung des Trennabschnitts 7 verleihen dem Halbleiterbauelement eine hohe Spannungsfestigkeit sowohl im abgeschalteten Zustand wie im Betrieb mit hoher Vorspannung/ die sog. EIN-Spannungsfestigkeit ist wesentlich verbessert.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Elements besteht darin, daß die jeweils von der Source-Elektrode 8 bzw. Drain-Elektrode 9 ausgehenden Feldplatten 8' und 9' auf der dritten Isolierschicht 15 angeordnet sind und gemeinsam mit den potentialmäßig schwimmenden Elementen 13 und 13' eine Abdeckung bilden, welche die N -Schicht 5 mit hohem spezifischem Widerstand vollständig und so wirkungsvoll überdeckt, daß der MOS-Transistor eine hohe Zuverlässigkeit erreicht. Außerdem schirmen die zwei oder mehr potentialmäßig schwimmenden Elemente 13 und 13' die N~-Schicht 5 gegen Einflüsse seitens der Feldplatten 8'und 9' ab, so daß der Transistor gute Betriebs-Eigenschaften und eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist.
Nachstehend wird die Herstellung des Transistors von Fig. schrittweise in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. Gem. Fig. (a) wird das eine geringe Verunreinigungsdichte aufweisende Halbleitersubstrat 1 vom P-Typ an den Stellen wo sich nachher der Source- und Kanalbereich befinden mit einem Resist 18 abgedeckt. Durch einen die Gesamtoberfläche dieses Substrats 1 bedeckenden Oxidfilm 17 wird eine Verunreinigung
31 +
von ρ -Ionen injiziert und durch Wärmebehandlung eindiffundiert, um die N~-Pinch-Schicht 5 mit hohem spezifischem Widerstand zu bilden.
Der durch Wärmebehandlung in Fig. 2(a) entstandene dicke Oxidfilm 19 wird in Fig. 2Cb) durch Fotoätztechnik im Source- und Drainbereich mit Fenstern versehen, in denen
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Sharp 1666-GER-A
anschließend ein dünner Oxidfilm 20 gebildet wird. Die Oberseite ist teilweise mit einem Resist 21 überdeckt, und durch Ionen-Injektion von B und Diffusionsbehandlung von der Oberfläche her wird der P+-Kanalbereich 4 ausgebildet, welcher von der Pinch-Schicht 5 durch eine Trennzone 7 getrennt ist.
Mit Fig. 2(c) werden zwei N -Bereiche durch Diffusion oder Ionen-Injektion hergestellt, welche den Source-Bereich 2 und Drainbereich 3 bilden. Danach werden die Oxidfilme 19 und 20 entfernt. Die Oberfläche wird teilweise mit einer Resistschicht 22 überdeckt und dann durch Ionen-Injek-
11+ +
tion von B der dotierte P -Feldbereich 6 erzeugt.
Mit Fig. 2 (d) wird ein vorzugsweise etwa 1,2 μΐη dicker Oxidfilm 11 aufgedampft, im Bereich von Drain, Gate und Source entfernt und dort durch einen dünnen Oxidfilm 23 ersetzt, um eine Gate-Oxidschicht zu bilden. Auf der gesamten Oberfläche wird dann eine Schicht aus vorzugsweise polykristallinem Silicium gebildet und einer N -Dotierung und Diffusion unterzogen. Durch Wegätzen der nicht-gewünschten Abschnitte werden das schwimmende Element 13, die Gate-Elektrode 10 und die von der Drain-Elektrode 9 ausgehende Feldplatte 14 gebildet.
Gemäß Fig. 2(e) wird auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 ein dünner Film 12 aus Phosphatsilikat-Glas hergestellt, der jeweils über dem Source- und Drain-Elektrodenbereich ein Fenster hat. Die Gesamtoberfläche wird mit einer Schicht vorzugsweise aus Al bedeckt und an nicht-erwünschten Stellen so entfernt, daß dadurch die Source- und Drain-Elektroden 8 und 9 sowie das leitfähigkeitsmäßig schwimmende Element 13' gebildet werden. Die schwimmenden Elemente 13 liegen zur diskreten Abdeckung der Schicht 5 auf der Isolierschicht 11, und die leitfähigkeitsmäßig schwimmenden Elemente 13' liegen ihrerseits zur diskreten Abdeckung der Schicht
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auf der Isolierschicht 12. Durch die Kombination aus den schwimmenden Elementen 13 und 13' ist eine vollständige Abdeckung für die Schicht 5 gebildet.
Danach wird gemäß Fig. 2(f) auf die gesamte Oberfläche eine Isolierschicht 15 aus vorzugsweise Phosphatsilikat-Glas in der Weise aufgedampft, daß jeweils ein Fenster gegenüber dem Drain- und dem Source-Elektrodenbereich gebildet wird. Danach werden durch Belegen der Gesamtoberfläche mit einer vorzugsweise aus Al zusammenge-0 setzten Schicht und durch Entfernen der nicht-erwünschten Abschnitte die Feldplatten 8' und 9' gebildet, welche durch die Schicht 15 hindurch eine zusätzliche und die leitfähigkeitsmäßig schwimmenden Elemente 13, 1.3' ergänzende Abdeckung für die Schicht 5 bilden. Damit ist die Schicht vollständig abgedeckt. Die Enden der Feldplatten 81 und 9' liegen relativ nahe nebeneinander. Abschließend wird das Halbleiterbauelement mit einer Schutzisolierschicht 16 überdeckt, und der Transistor ist damit fertig.
Jedes der beiden potentialmäßig ' schwimmenden Elemente 13 und 13' kann aus polykristallinem Silicium, Al, Mo, W o.dgl. hergestellt sein. Der Aufbau des in Fig. 1 dargestellten MOS-FETs kann in der Weise abgewandelt werden, daß nach Art der Elemente 13 und 13' zwei oder mehr Blöcke von potentialmäßig schwimmenden Elementen angeordnet sind. Ferner können die Isolierschichten 11, 12 und 15 durch jede denkbare Art von Isolierfilm gebildet und auch im sog. LOCOS-Verfahren (Local Oxidation of Silicon) hergestellt sein.
Der Erfindungsgedanke kann auch auf andere MOS-FET-Typen angewandt werden, die keine N~-Pinch-Schicht 5 mit hohem Widerstand und/oder keinen P+-Bereich 4 aufweisen.
Leerseite

Claims (6)

TER MEER - MiLiI-LE1R-STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalrea agries pres !'Office european des brevets Dipl.-Ghem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H, Steinmelster DIpWnQ. F- E. Müller Siekerwall 7, Triftstrasse 4, D-eOOO MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1 Case: 1666-GER-A 27. Mai 1981 Mü/Gdt/Tß SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka 545 / Japan MOS-Halbleiterbauelement für hohe Betriebsspannungen Priorität: 30. Mai 1980, Japan, No. 55-73917 PATENTANSPRÜCHE
1. Metall-Oxid-Halbleiterbauelement für hohe Betriebsspannungen mit
- einem Halbleiterkörper eines. Leitfähigkeitstyps,
- einem Sourcebereich, dessen Leitfähigkeit der des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist,
- einem nahe dem Sourcebereich angeordneten Kanalbereich vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Halbleiterkörper,
- einem Drainbereich, dessen Leitfähigkeit der des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist,
- je einer an den Drainbereich angeschlossenen Drainelektrode und einer an den Sourcebereich angeschlossenen Source-Elektrode, und
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TER MEER -MÖLLER ■ STETNiVIEiSTER--' --." :..: .; Sharp 1666-GER-A
- einer oberhalb des Kanalbereichs über einer ersten Isolierschicht befindlichen Gate-Elektrode,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Kanalbereich (4) durch erste, zweite und dritte Abdeckungen (13,13',8',9') überdeckt ist, und
- die erste Abdeckung (13) durch eine dazwischenliegende erste Isolierschicht (11) von dem Kanalbereich getrennt, die zweite Abdeckung (131) auf einer zweiten Isolierschicht (12) angeordnet, auf der zweiten Abdeckung eine dritte Isolierschicht (15) und die dritte Abdeckung (8',91J auf der dritten Isolierschicht angeordnet sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Abdeckung (13,13') von der Drain-, Source- und/oder Gate-Elektrode (9,8,10) getrennt sind.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Abdeckung (8',91J mit der Drain-, Source- oder Gate-Elektrode verbunden ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Abdeckung einzeln aufgebracht sind.
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TER MEER · MÜLLER · STEWWIEiSTER- - - -" " ''. - . Sharp 1 666-GER-A
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Abdeckung (13,13') zwei oder mehr Blöcke bildet bzw. bilden.
6. Halbleiterbeuelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Abdeckung aus polykristallinem Silicium, Al, Mo, W o.dgl. besteht bzw. bestehen.
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DE3121224A 1980-05-30 1981-05-27 MOS-Transistor für hohe Betriebsspannungen Expired DE3121224C2 (de)

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