DE3346518C1

DE3346518C1 - Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode

Info

Publication number: DE3346518C1
Application number: DE3346518A
Authority: DE
Inventors: Günter 8051 Langenbach Heinecke; Lemit 8051 Kranzberg Soobik
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1989-01-12
Also published as: EP0149033B1; DE3481796D1; US4845536A; JPH0527994B2; EP0149033A2; EP0149033A3; JPS60158671A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, der in einem Halbleiterkörper eine an eine Drain-Elektrode angeschlossene Drain-Diffusionszone und eine zur Bildung einer Kanalzone im Abstand von der Drain-Diffusionszone angeordnete, an eine Source-Elektrode angeschlossene Source-Diffusionszone enthält, wobei die Gate-Elektrode auf einer Gate-Isolierschicht über der Kanalzone angebracht ist.

Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, die üblicherweise auch aus MIS- oder MOS-Feldeffekttransistoren bezeichnet werden, werden immer häufiger in elektronischen Schaltungen und insbesondere in integrierten Halbleiterschaltungen angewendet. Es ist bekannt, daß solche Feldeffekttransistoren sehr empfindlich für hohe Spannungen sind, da die Isolierschicht zwischen der Gate-Elektrode und der Oberfläche des Halbleiterkörpers, in dem sich die Source- und Drain-Diffusionszonen befinden, extrem dünn ist und somit bei Auftreten hoher Spannungen zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleiterkörper leicht durchbricht. Irreversible Zerstörungen der Isolierschicht können bereits bei Spannungen von 80 oder 100 V auftreten. Spannungen mit solchen Werten und sogar mit wesentlich höheren Werten können durch elektrostatische Aufladung entstehen und unbeabsichtigt bei der Handhabung der Transistoren an deren Anschlußklemmen gelangen. Die Empfindlichkeit für hohe Spannungen ist besonders dort von großem Nachteil, wo die Feldeffekttransistoren als Eingangs- oder Ausgangstransistoren in integrierten Schaltungen verwendet werden, da bei der Zerstörung des mit der Eingangsklemme oder der Ausgangsklemme verbundenen Feldeffekttransistors die gesamte integrierte Schaltung unbrauchbar wird.

Zum Schutz der mit den Eingangsklemmen integrierter Schaltungen verbundenen Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode sind mit der jeweiligen Eingangsklemme verbundene Schaltungskombinationen aus Widerständen, Zencrdioden und Transistoren verwendet worden, die an der Eingangsklemme auftretende Überspannungen nach Masse ableiten, so daß der mit der Eingangsklemme verbundene Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode geschützt wird. Die

ίο mit Ausgangsklemmen verbundenen Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode wurden bisher durch Einfügen eines Serienwiderstandes zwischen den Feldeffekttransistor und die Ausgangsklemme geschützt. Dieser Serienwiderstand bewirkte eine Begren-

zung des beim unbeabsichtigten Anlegen einer Überspannung fließenden Stroms auf einen Wert, der keine Zerstörung des Transistors zur Folge hat. Ein solcher Serienwiderstand kann jedoch nicht in allen Schaltungen angewendet werden, da er auch den von der Schaltung abzugebenden Nutzstrom begrenzt. Außerdem verhindert er, daß mit dem Ausgangstransistor der Schaltung Signale mit hohen Frequenzen abgegeben werden können, da er mit den an der Ausgangsklemme wirksamen Kapazitäten eine relativ niedrige Grenzfrequenz festlegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß er ohne nachteilige Auswirkungen auf den von ihm abgebbaren Slrom und die mit ihm erreichbare Schaltfrequenz sicher gegen Überspannungen geschützt ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die Drain-Diffusionszone und/oder die Source-Diffusionszone zwischen der jeweils zugehörigen Elektrode und der Kanalzone in mehrere parallele Streifen unterteilt ist.

Beim erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor bilden die parallelen Streifen einzelne Serienwiderstände, die aufgrund der Tatsache, daß sie parallel geschaltet sind, keine nachteiligen Auswirkungen auf das Gesamlverhaltcn des Feldeffekttransistors haben. Wenn an einen solchen Feldeffekttransistor eine durch elektrostatische Aufladung erzeugte Überspannung gelangt, beginnt ein Durchbruch der Sperrschicht zwischen der Source- und/oder der Drain-Diffusionszone und dem Substrat. Die elektrostatische Ladung erzeugt an der Durchbruchstelle einen Strom, der durch den der Durchbruchstelle am nächsten liegenden Streifen der Diffusionszone fließt. Der Streifen bildet dabei einen Serienwiderstand, der den zur Durchbruchstelle fließenden Strom begrenzt und an dem gleichzeitig ein Spannungsabfall auftritt. Der von dem Streifen gebildete Serienwiderstand verhindert einen Anstieg des Stroms an der Durchbruchstelle bis zu einem Wert, der eine irreversible thermische Zerstörung der Isolierschicht zur Folge hat. Der am Serienwiderstand entstehende Spannungsabfall ist so hoch, daß auch an anderen Stellen der Sperrschicht noch einzelne Durchbrüche auftreten können, so daß eine Verteilung des aus der elektrostatisehen Aufladung resultierenden Stroms auf mehreren Durchbruchstellen erfolgt. Wegen der dadurch erzielten Stromverteilung führen die Durchbrüche nicht zu einer thermischen Zerstörung der Isolierschicht, da die an den Durchbruchstellen fließenden Teilströme die Isolicrschicht nicht mehr bis zur Zerstörung aufheizen können. Gleichzeitig wird dadurch ein Anstieg der Spannung an den Diffusionszonen auf Werte begrenzt, die unterhalb der Durchschlagspannung der Isolierschicht liegen. Bei

dieser Betrachtung der Wirkungsweise ist zu beachten, dai3 das Anlegen einer aufgrund elektrostatischer Aufladung erzeugten Überspannung an den Feldeffekttransistor mit dem Anlegen eines geladenen Kondensators vergleichbar ist. Dies bedeutet, daß ohne Vorsehen einer Strombegrenzung die angelegte Spannung bei starkem Stromanstieg sehr schnell zusammenbrechen würde. Durch Unterteilung der Drain-Diffusionszone und/ oder der Source-Diffusionszone in einzelne Streifen werden in den Entladeweg Serienwiderstände eingebaut, die den zur Zerstörung führenden starken Stromanstieg und das rasche Zusammenbrechen der Spannung verhindern.

Vorteilhafte Weilerbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf einen auf einem Halbleiterkörper gebildeten Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Feldeffekttransistors nach der Erfindung,

F i g. 3 einen perspektivisch erweiterten Schnitt längs der Linie 11I-1II von F i g. 1,

Fig.4 ein Schaltbild einer Ausgangsstufe mit einem Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode nach der Erfindung,

Fig.5 eine stark vergrößerte Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, in dem die Schaltung von F i g. 4 in Form einer integrierten Schaltung verwirklicht ist, und

F i g. 6 einen perspektivisch erweiterten Schnitt längs der Linie VI-VI von F i g. 5.

In F i g. 1 ist ein Feldeffekttransistor 1 in einer Draufsicht schematisch dargestellt. Er enthält eine Drain-Diffusionszone 2 und eine Source-Diffusionszone 3. Diese beiden Zonen sind im Abstand voneinander angebracht; zwischen ihnen liegt die Kanalzone 4. Die Drain-Diffusionszone 2 und die Source-Diffusionszone 3 sind in der Oberfläche eines Halbleiterkörpers 5 gebildet, der in der Schnittansicht von F i g. i zu erkennen ist. Über dem von der Kanalzone 4 abgewandten Ende der Drain-Diffusionszone 2 ist eine von einer Metallschicht gebildete Drain-Elektrode 6 angebracht; in gleicher Weise ist auch über dem von der Kanalzone 4 abgewandten Ende der Source-Zone 3 eine aus Metall bestehende Source-Elektrode 7 angebracht.

Im Bereich der Kanalzone 4 ist auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 5 eine Isolierschicht 8 angebracht, auf der sich eine aus Metall oder polykristallinem Silicium bestehende Gate-Elektrode 9 befindet.

Wie aus der Draufsicht von F i g. 1 zu erkennen ist, sind sowohl die Drain-Diffusionszone 2 als auch die Source-Diffusionszone 3 in einzelne parallele Streifen 10 bzw. 11 unterteilt. Die Drain-Elektrode 6 ist nicht unmittelbar auf der Drain-Diffusionszone 2 angebracht, sondern sie befindet sich auf einer Isolierschicht 12, und sie steht mit den einzelnen Streifen 10 über Kontaktfenster 13 in Verbindung, die in dieser Isolierschicht 12 gebildet sind. Ebenso ist auch die Source-Elektrode 7 auf einer Isolierschicht 14 gebildet, und sie steht mit den Streifen 11 über Kontaktfcnster 15 in dieser Isolierschicht 14 in Verbindung. In der Schnittansicht von F i g. 3 sind die Isolierschichten 12 und 14 und die zugehörigen Kontaktfenster 13 und 15 zu erkennen.

Der Halbleiterkörper 5 kann beispielsweise aus P-leitendem Material bestehen, und die Streifen 10 und Il können unter Anwendung bekannter Diffusionsverfahren aus N · -leitendem Material gebildet werden. Bei einem solchen Feldeffekttransistor kann durch Anlegen einer positiven Spannung an die Gate-Elektrode 9 unter der Isolierschicht 8 ein N-leitender Kanal erzeugt werden.

Die Fig.2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Feldeffekttransistor. Wie zu erkennen ist, kann der Feldeffekttransistor 1 von F i g. 1 so betrachtet werden, als bestehe er aus einer parallelschaltung von ebensovielen Feldeffekttransistoren, wie parallele Streifen 10,11 in der Drain-Diffusionszone 2 bzw. der Source-Diffusionszone 3 gebildet sind. Die Streifen 10, 11 verhalten sich dabei wie Serienwiderstände 10', 11', die die Drain- bzw. Source-Leitungen der einzelnen Feldeffekttransistoren eingefügt sind. Da alle diese Widerstände parallel geschaltet sind, ist ihr Gesamtwiderstand sehr klein, so daß sie keine merklichen Auswirkungen auf das Gesamtverhalten des Feldeffekttransistors 1 haben.
Es sei nun angenommen, daß an die Drain-Elektrode 6 eine durch eine elektrostatische Aufladung erzeugte hohe Spannung gelangt. Eine solche hohe Spannung, die Werte von 1000 V oder mehr haben kann, führt in der sehr dünnen Isolierschicht 8 unterhalb der Gate-Elektrode 9 zu extrem hohen Feldstärken, die einen Durchschlag der Isolierschicht 8 hervorrufen können. Bereits bei Spannungswerten unterhalb diesem Durchschlagspannungswert setzt ein Durchbruch der Sperrschicht zwischen der Drain-Diffusionszone und dem Substrat an einer Durchbruchstelle 16 ein. Der durch diese

jo Durchbruchstelle 16 fließende Strom fließt zur Source-Diffusionszone. Wo sich die Durchbruchstelle 16 ausbildet, läßt sich nicht vorhersehen; die Lage dieser Stelle hängt beispielsweise von Geometrieunregelmäßigkeiten der Transistorstruktur ab. Wenn die Diffusionszone 2 nicht wie beim Feldeffekttransistor 1 in einzelne Streifen aufgeteilt ist, beginnt an der Sperrschicht-Durchbruchstelle 16 ein Strom zu fließen, der sehr schnell hohe Werte annimmt, da der Widerstand an der Durchbruchstelle sehr klein wird. Mit dem Anstieg des Stroms

4ü steigt die Temperatur an der Durchbruchsteile schnell an, bis schließlich die Isolierschicht 8 zerstört wird. Die Spannung bricht mit dem Stromanstieg schnell zusammen, da die Quelle, die durch elektrostatische Aufladung erzeugte Spannung liefert, mit einem geladenenen Kondensator vergleichbar ist, und sich bei Entladung ebenso wie dieser verhält.

Ist die Drain-Diffusionszone 2 dagegen in einzelne Streifen unterteilt, kann der Entladestrom von der Drain-Elektrode 16 nur über das Kontaktfenster 13a

so und durch den Streifen 10a zur Durchbruchstelle 16 fließen. Wie bereits erwähnt wurde, verhält sich der Streifen 10a dabei wie ein Serien widerstand, der den zur Durchbruchstelle 16 fließenden Strom begrenzt. Der durch den Streifen 10a gebildete Serienwiderstand verhindert ein rasches Zusammenbrechen der angelegten Spannung, und der an dem Serienwiderstand auftretende Spannungsabfall ist so hoch, daß auch noch im Bereich anderer Streifen 10 Sperrschicht-Durchbrüche auftreten können. Aufgrund der mehrfachen Durchbrüehe findet eine Aufteilung des Gesamtstroms in einzelne Teilströme statt, so daß die an den einzelnen Durchbruchstellen fließenden Ströme nicht mehr so groß werden können, daß die Isolierschicht 8 irreversibel thermisch zerstört wird. Die aus der Quelle der statischen

M Aufladung gelieferte Energie kann somit an mehreren Stellen in Wärme umgesetzt werden, ohne daß der Feldeffekttransistor zerstört wird.
In F i g. 4 ist in einem Schaltbild ein Feldeffekttransi-

stör 20 mit isolierter Gate-Elektrode dargestellt, der in der dargestellten Schaltung als Äusgangstransistor verwendet wird. Seine Drain-Elektrode ist mit einem als viereckige Kontaktfläche dargestellten Ausgangsanschluß 21 verbunden. Die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 20 ist an Masse gelegt. Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors 20 erfolgt über zwei Negatoren 23 und 24. Der Eingang 25 des Negators 23 ist mit dem Eingangsanschluß 26 verbunden. Der Ausgang 27 des Negators 23 ist mit dem Eingang 28 des Negators 24 verbunden, dessen Ausgang 29 direkt mit der Gate-Elektrode 30 des Feldeffekttransistors 20 verbunden ist.

In F i g. 5 ist in einer Draufsicht auf einen Halbleiterkörper dargestellt, wie die Schaltung von F i g. 4 in diesem Halbleiterkörper verwirklicht ist. Dabei sind die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 4 verwendet, damit die im Schaltbild dargestellten Bauelemente den in F i g. 5 dargestellten Bauelementen zugeordnet werden können.

Aus der Draufsicht von F i g. 5 geht hervor, daß die Drain-Diffusionszone in einzelne Streifen 31 unterteilt ist, so daß wie beim Feldeffekttransistors von F i g. 1 zwischen dem Bereich der Drain-Elektrode und dem Bereich der Gate-Elektrode einzelne parallele Serienwiderstände entstehen, die den oben geschilderten Schutz gegen hohe Spannungen ergeben. Die Drain-Elektrode 32 ist in F i g. 5 durch ein von einer gestrichelten Linie umgebenes Rechteck dargestellt. Die Verbindung zwischen der Drain-Elektrode 32 und der Drain-Diffusionszone wird über Kontaktfenster 33 hergestellt.

In der perspektivsch erweiterten Bilddarstellung von F i g. 6 ist auch der Halbleiterkörper 34 zu erkennen, auf dem die integrierte Schaltung gebildet ist. Auch die Isolierschicht 35 zwischen der Drain-Diffusionszone und der Drain-Elektrode 32 ist zu erkennen.

In der integrierten Schaltung von F i g. 5 ist die Source-Diffusionszone nicht in einzelne Streifen aufgeteilt, da sich gezeigt hat, daß bereits die Aufteilung der Drain-Diffusionszone in Streifen einen ausreichenden Schutz gegen hohe Spannungen ergibt. Sollte sich in einigen Fällen als notwendig erweisen, auch die Source-Diffusionszone in Streifen aufzuteilen, dann könnte der Feldeffekttransistor 20 natürlich auch so aufgebaut werden, wie der Feldeffekttransistor 1 von -F i g. 1.

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Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, der in einem Halbleiterkörper eine an eine Drain-Elektrode angeschlossene Drain-Diffusionszone und eine zur Bildung einer Kanalzone im Abstand von der Drain-Diffusionszone angeordnete, an eine Source-Elektrode angeschlossene Source-Diffusionszone enthält, wobei die Gate-Elektrode auf einer Gate-Isolierschicht über der Kanalzone angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Diffusionszone (2) und/oder die Source-Diffusionszone (3) zwischen der jeweils zugehörigen Elektrode (6, 7) und der Kanalzone (4) in mehrere parallele Streifen (10,11) unterteilt ist,

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode (6) und die Source-Elektrode (7) von einer Metallschicht gebildet sind, die auf einer Isolierschicht (12, 14) angebracht ist, die wenigstens die von der Kanalzone (4) abgewandten Enden der Streifen (10, 11) bedeckt, und daß die Metallschicht durch Kontaktfenster (13, 15) in der Isolierschicht (12,14) mit den darunterliegenden Streifen (10,11) in Verbindung steht.

3. Integrierte Schaltung mit wenigstens einem mit einem Ausgangsanschluß verbundenen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß jeder mit dem Ausgangsanschluß (21) verbundene Feldeffekttransistor (20) ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, ist.