DE3411020C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine IGFET-Halbleitervorrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Halbleitervorrichtung dieser Art mit einem ein isoliertes Gate aufweisenden Feldeffekttransistor (einem sogenannten "IGFET") ist in der nicht vorveröffentlichten älteren Anmeldung gemäß der DE 32 00 660 A1 beschrieben. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, den Widerstand im leitenden Zustand des IGFET's, d. h. dessen EIN-Widerstand mittels eines an das Driftgebiet angrenzenden Träger­ injektionsgebiets, das einen zum Driftgebiet entgegen­ gesetzten Leitungstyp hat, zu verringern. Hierzu wird das Trägerinjektionsgebiet von einer Vorspanneinrichtung in Form eines Feldeffekttransistors über einen Widerstand derart vorgespannt, daß es Träger in die Driftzone in­ jiziert, welche deren Leitfähigkeit erhöhen.

Obgleich der EIN-Widerstand hierdurch merklich und ohne nennenswerte Erhöhung der erforderlichen Ansteuerleistung verringert werden kann, liegt ein Nachteil darin, daß der Fertigungsaufwand infolge der relativ komplizierten Struktur der Halbleitervorrichtung entsprechend hoch ist.

In der gleichfalls nicht vorveröffentlichten DE 32 24 642 A1 ist ein IGFET der gattungsgemäßen Art beschrieben, bei dem das Trägerinjektionsgebiet von der Emitterzone eines Bipolartransistors gebildet wird, der über eine Kontaktzone und eine Elektrode mit dem Gate verbunden ist. Um eine leis­ tungslose Ansteuerung des IGFET zu ermögichen, ist ein Hilfs-Feldeffekttransistor vorgesehen, der den Bipolartran­ sistor durchschaltet, worauf dieser Träger in das Driftge­ biet injiziert. Aufgrund der zwei zusätzlichen Transistoren erfordert auch dieser IGFET einen relativ hohen Fertigungs­ aufwand.

Gegenstand der nicht vorveröffentlichten EP 01 03 934 A2 ist ein weiterer Feldeffekttransistor mit Trägerinjektion zur Verringerung des EIN-Widerstands, bei dem ein Emittergebiet die Leitfähigkeit des Driftgebiets beeinflußt. Durch eine sehr komplizierte Schichtenfolge sind bei diesme Feld­ effekttransistor eine hohe Zahl von Verfahrensschritten zu seiner Herstellung erforderlich.

In der DE 31 03 444 A1 ist schließlich ein Feldeffekttransistor beschrieben, bei dem ein zur Verringerung des EIN-Widerstands vorgesehenes Injektorgebiet direkt an eine Kontaktschicht angeschlossen ist, wobei die zum Erzeugen der Träger erforderliche Vorspannung durch Anschließen der Kontaktschicht an die Gateelektrode über einen Widerstand zugeführt wird. Dieser Feldeffekttransistor hat den Nachteil, daß die Ansteuerung des Injektorgebiets einen bestimmten Steuerstrom erfordert, so daß keine leistungslose Ansteuerung des Feldeffekttransistors möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine IGFET-Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der Her­ stellungsaufwand stark verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 1 sowie mit den im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 3 angegebenen Maßnahmen ge­ löst.

Hierdurch wird erreicht, daß unter Beibehaltung des Vorteils einer leistungslosen Ansteuerbarkeit der IGFET-Halbleiter­ vorrichtung der Aufwand zu deren Herstellung wesentlich verringert ist. Nachdem IGFET-Halbleitervorrichtungen der erfindungsgemäßen Art darüber hinaus meist aus einer Vielzahl parallelgeschalteter IGFET-Zellen bestehen, kann gemäß der im Anspruch 2 angegebenen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Trägerinjektionsgebiet ebenfalls aus einer Standard IGFET-Zelle gebildet sein, wobei lediglich der Sourcekontakt jeder zweiten Zelle elektrisch anschlußfrei zu halten ist, was durch einfache Modifizierung des entsprechenden Maskierungsschritts erreichbar ist, so daß der Herstellungsaufwand praktisch nicht größer als bei einem herkömmlichen IGFET ohne Trägerinjektion ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einem schematischen Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 in einem schematischen Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine einzelne Zelle einer Halbleitervorrichtung 10. Jede Zelle der Halbleitervorrichtung 10 gleicht jeder anderen Zelle; deshalb wird im folgenden lediglich die dargestellte Zelle beschrieben.

Die Halbleitervorrichtung 10 enthält ein Substrat 12, das vorzugsweise aus Silicium besteht. Ein IGFET 20 ist in der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet und enthält nach- und nebeneinander angeordnet ein N⁺-Draingebiet 22, ein N-Driftgebiet 24, ein P-Ba­ sisgebiet 26 und ein Kanalgebiet 28, d. h. ein Gebiet, in welchem ein elektrisch leitendes Gebiet bzw. ein elektrisch leitender Kanal während des leitenden Zustandes des IGFET's 20 vorhanden ist. Au­ ßerdem ist in dem IGFET 20 ein N⁺-Sourcegebiet 30 ent­ halten, das sowohl an das Kanalgebiet 28 als auch an das P-Basisgebiet 26 angrenzt. Der IGFET 20 weist ferner eine Gate-, eine Source- und eine Drainelektrode 14, 16 bzw. 18 auf. Die Sourceelektrode 16 grenzt sowohl an das P-Basisgebiet 26 als auch an das N⁺-Sourcegebiet 30 an. Die Drainelektrode 18 grenzt an das N⁺-Draingebiet 22 an. Das Kanalgebiet 28 des IGFET 20 besteht vorzugs­ weise aus P-leitendem Halbleitermaterial, wodurch die Halbleitervorrichtung 10 bei fehlender Ansteuerspannung ausgeschaltet ist. Die Gate­ elektrode 14 ist von dem Kanalgebiet 28 mittels eines dielektrischen Films 32, vorzugsweise einem Oxid des Halbleiterplättchens 12, isoliert und auf Abstand ge­ halten. Eine in bezug auf die Sourceelek­ trode 16 positive Vorspannung ausreichender Größe an der Gateelektrode 14 erzeugt in dem Kanalgebiet 28 eine Inver­ sionsschicht (oder ein elektrisch leitendes Gebiet) von Elektronen, so daß ein Elektronenstrompfad 33 vervollständigt wird, der sich von der Sourceelektro­ de 16 über das N⁺-Sourcegebiet 30 und das Kanalge­ biet 28 zu dem N-Driftgebiet 24 erstreckt.

Bei dem IGFET 20 kann das N⁺-Sourcegebiet 30 wegge­ lassen werden, wobei in diesem Fall das Kanalgebiet 28 so modifiziert werden muß, daß es sich über die gesamte Strecke von dem N-Driftgebiet 24 bis zu der Sourceelektrode 16 erstreckt. Das kann erreicht wer­ den, indem die Gateelektrode 14 so modifiziert wird, daß sie dem gesamten modifizierten Kanalgebiet 28 über­ lagert ist.

Die Halbleitervorrichtung 10 enthält weiter ein P- Trägerinjektionsgebiet 34, das an das N-Driftgebiet 24 des IGFET 20 angrenzt, so daß es mit diesem einen PN- Übergang 36 bildet. Erfindungsgemäß ist eine weiter unten ausführlich erläuterte Vorspannein­ richtung 38 vorgesehen, um den PN-Übergang 36 um mehr als 0,6 V (zumindest bei Siliciumvorrichtungen) in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wenn der IGFET im leitenden Zustand ist. Das bewirkt, daß das P-Trägerinjektionsgebiet 34 Träger in Form von Löchern in das N-Drift­ gebiet 24 des IGFET 20 injiziert, was durch Löcherstrom­ pfade 39 veranschaulicht ist. Als Folge davon wird der EIN-Widerstand des N-Driftgebiets 24 merklich redu­ ziert, und zwar wegen einer entsprechenden Zunahme der Elektronendichte im Driftgebiet 24, die ihren Ursprung im Elektronenstrompfad 33 hat. Die Tat­ sache, daß die Elektronendichte im N-Driftge­ biet 24 zunimmt, wenn die Löcherdichte darin zu­ nimmt, stimmt mit dem Prinzip der Quasineutralitäts­ aufrechterhaltung überein, dem zufolge ein ungefähres Gleichge­ wicht zwischen Löchern und Elektronen in einem Halblei­ tergebiet vorhanden sein muß, um starke elektrische Felder darin zu verhindern.

Zum Vorspannen des PN-Übergangs 36 in Durchlaßrichtung wird die Vorspanneinrichtung 38 benutzt, die ein Kanalgebiet 40 enthält, das P-leitend ist, und eine Gateelektrode 42, die durch einen dielek­ trischen Film 44, beispielsweise aus Siliciumdioxid, von dem Kanalgebiet 40 isoliert und von die­ sem beabstandet ist. Die Gateelektrode 42 ist elektrisch mit der IGFET-Gateelektrode 14 verbunden, wie schema­ tisch dargestellt, so daß ein einzelnes Steuersignal die Halbleitervorrichtung 10 ansteuern kann.

Vervollständigt wird die Vorspanneinrichtung 38 durch eine Kurzschlußelektrode 46, die an das P-Trägerinjek­ tionsgebiet 34 angrenzt, aber von der Sourceelektrode 16 elektrisch isoliert ist, und durch ein N⁺-Gebiet 48, das elektrisch zwischen der Kurzschlußelektrode 46 und dem Kanalgebiet 40 angeordnet ist. Wenn die Gateelek­ rode 42 mit einer positiven Spannung vorgespannt ist, die ausreicht, um das P-Kanalgebiet 40 zu invertieren, wird ein Strompfad 50 für Elektronen von der Kurzschluß­ elektrode 46 über das N⁺-Gebiet 48 und die Inversions­ schicht innerhalb des Kanals 40 zu dem N-Driftgebiet 24 vervollständig. Wenn das N⁺-Gebiet 48 weggelassen wird, muß das Kanalgebiet 40 so modifiziert werden, daß es sich über die gesamte Strecke von dem N-Driftgebiet 24 bis zu der Kurzschlußelektrode 46 er­ streckt. Das kann erreicht werden, indem die Gateelek­ trode 42 so modifiziert wird, daß sie über dem gesamten modifizierten Kanalgebiet 40 liegt.

Wenn sich die Halbleitervorrichtung 10 im Betrieb im leitenden Zustand befindet, verursacht eine bezüglich der Sourceelektrode 16 bezüglich positive Vorspannung ausreichen­ der Größe an den Gateelektroden 14 und 42 Inversionsschichten (oder leitende Gebiete) in den Kanalgebieten 28 und 40. Bei einer bezüglich der Sourceelektrode 16 positiven Spannung an der Drainelektrode 18 wird ein Elektronen­ stromfluß in dem Strompfad 33 von der Sourceelektrode 16 zu dem N-Driftgebiet 24 über das N⁺-Sourcegebiet 30 und das invertierte Kanalgebiet 28 hervorgerufen. Gleichzeitig wird ein Elektronenstromfluß in dem Strom­ pfad 50 von der Kurzschlußelektrode 46 zu der Drain­ elektrode 18 über das N⁺-Gebiet 48, das invertierte Ka­ nalgebiet 40, das N-Driftgebiet 24 und das N⁺-Drainge­ biet 22 hervorgerufen. Die Stärke des Stroms in dem Elektronenstrompfad 50 ist jedoch solange vernachlässigbar, bis die Spannung an der Drainelektrode 18 etwa 0,6 V über­ schreitet (zumindest bei Siliciumvorrichtungen), so daß das Potential der Kurzschlußelektrode 46 um ungefähr diese Spannung erhöht wird. Wenn das Potential der Elektrode 46 so erhöht worden ist, wird der PN-Über­ gang 36 in einem Ausmaß in Durchlaßrichtung vorgespannt, das ausreicht, um die Injektion von Löchern aus dem P-Trägerinjektionsgebiet 34 in das N-Driftgebiet 24 zu bewirken, und zwar in den Löcherstrompfaden 39. Die Löcher und Elektronen für die Strompfade 39 bzw. 50 werden durch Loch-Elektroden-Paar-Erzeugung an der Grenz­ fläche 49 zwischen der Kurzschlußelektrode 46 und dem P-Trägerinjektionsgebiet 34 geliefert. Das hat zur Fol­ ge, daß die Stärke des Stromflusses im Elektronen­ strompfad 50 in demselben Maße ansteigt wie die Stärke des Stromflusses der Löcherstrompfade 39.

Die Zunahme der Löcherkonzentration in dem N-Driftge­ biet 24 aufgrund des Stromflusses in den Löcherstrom­ pfaden 39 bewirkt in dem Driftgebiet 24 eine Zunahme der Elektronenkonzentratioon, die ausreicht, um den Wider­ stand des N-Driftgebiets 24 merklich zu reduzieren. Da das Driftgebiet 24 typisch einen beträchtlich größeren Widerstand für den Elektronenstromfluß als jedes ande­ dere dargestellte Gebiet der Halbleitervorrichtung 10 hat, durch das der Elektronenstrompfad 33 hindurchgeht, führt das Ver­ ringern des EIN-Widerstands in dem Driftgebiet 24 zu einer gleichen Verringerung des EIN-Widerstands der Halbleiter­ vorrichtung 10. Quantitativ ist zu erwarten, daß eine erfindungsgemäße 200-Volt-Halbleitervorrichtung 10 einen EIN-Wi­ derstand von etwa einem Zehntel des Widerstands eines herkömmlichen 200-Volt-IGFET hat, während zu erwarten ist, daß eine erfindungsgemäße 1000-Volt-Halbleitervorrichtung 10 einen EIN-Widerstand von etwa einem Hundertstel des Widerstands eines herkömmlichen IGFET hat.

Die Halbleitervorrichtung 10 kann vorteilhafterweise in herkömmlicher IGFET-Fertigungstechnologie, die nur geringfügig modifiziert zu werden braucht, hergestellt werden. Das wird anhand einer Betrachtung der rechten Hälfte von Fig. 1 deutlich, die den IGFET 20 enthält, der strukturell der dargestellten linken Hälfte der Halbleitervorrich­ tung 10 gleicht, wobei die einzige Ausnahme darin be­ steht, daß die Kurzschlußelektrode 46 von der Source­ elektrode 16 elektrisch isoliert ist; das heißt, es würde sich ein herkömmliches IGFET ergeben, wenn die Kurzschlußelektrode 46 statt dessen mit der Sourceelek­ trode 16 verbunden wäre.

Demgemäß kann die Halbleitervorrichtung 10 nach der Erfindung her­ gestellt werden, indem ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines IGFET einfach dadurch modifiziert wird, daß jede zweite Metallisierung auf der oberen Fläche des Substrats 12, die an ein P-leitendes Gebiet, wie bei­ spielsweise die Kurzschlußelektrode 46, angrenzt, nicht mit der Sourceelektrodenmetallisierung, wie beispiels­ weise den Sourceelektroden 16, verbunden wird.

Eine andere Ausführungsform der Vorspanneinrichtung 38 ist in Fig. 2 gezeigt. Gemäß Fig. 2 ist ein P⁺-Gebiet 47 vorgesehen, das sowohl an das N⁺-Gebiet 48 als auch an das P-Trägerinjektionsge­ biet 34 angrenzt. Das P⁺-Gebiet 47 und das N⁺-Gebiet 48 haben ausreichend hohe Dotierungskonzentrationen, so daß der zwischen dem P⁺-Gebiet 47 und dem N⁺-Gebiet 48 vorhan­ dene PN-Übergang 45 einen Tunnelübergang darstellt, der einen ohmschen Kurzschluß oder eine Verbindung zwischen den Gebieten 47 und 48 bildet. Da die nebeneinander an­ geordneten Gebiete 47 und 34 vom gleichen Leitungstyp und somit ohmisch miteinander verbunden sind, kann durch das Vorsehen des Tunnelübergangs 45 eine Kurzschlußelektrode zwischen den Gebieten 48 und 34, wie beispielsweise die Kurzschlußelektrode 46 gemäß Fig. 1, entfallen. Bei Bedarf könnte das P⁺-Gebiet 47 größer gemacht werden, so daß es die gesamte rechte Hälfte des dargestellten Teils des P-Trägerinjektions­ gebiets 34 einnimmt. Das wäre beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Gateelektrode 14 bei dem IGFET 20 (Fig. 1) der gesamten rechten Hälfte des P-Trägerinjektionsgebiets 34 überlagert sein soll, um zu verhindern, daß eine Vorspannung an der Gateelektrode 14 eine unerwünschte Inversionsschicht in dem weniger stark dotierten Ge­ biet 34 verursacht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung 10 ist, daß sie eine besonders kompakte Größe hat.

Ferner ist es möglich, komplementäre Vorrich­ tungen herzustellen, bei denen P-leitendes Halb­ leitermaterial statt N-leitendem Halbleitermaterial be­ nutzt wird, und umgekehrt. Außerdem können die oben be­ schriebenen Gateelektroden aus stark dotiertem Polysili­ cium oder anderem hochschmelzendem Material hergestellt werden, statt die in den Figuren schematisch dar­ gestellte Metallisierung zu benutzen. Weiter sind die hier beschriebenen Vorrichtungen solche mit diffundiertem Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau (DMOS), es können aber auch Vorrichtungen mit geätztem V-Graben- Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau (VMOS) hergestellt werden.

Claims (3)

1. IGFET-Halbleitervorrichtung mit einem Substrat eines ersten Leitungstyps, dessen untere Schicht durch starke Dotierung als Draingebiet und dessen obere Schicht durch schwache Dotierung als Driftgebiet ausgebildet ist, einer das Draingebiet kontaktierenden Drainelektrode, einem in das Driftgebiet eindiffundierten Basisgebiet des entgegenge­ setzten Leitungstyps, dessen von einer ersten Gateelektrode unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht überdeckter Bereich ein Kanalgebiet bildet, in das ein eine Source­ elektrode kontaktierendes Sourcegebiet des ersten Leitungs­ typs eingebettet ist, sowie mit einem Trägerinjektionsgebiet des entgegengesetzten Leitungstyps, welches an das Drift­ gebiet angrenzt und während des leitenden Zustands des IGFET's zur Reduzierung seines EIN-Widerstands von einer Vorspanneinrichtung derart vorgespannt wird, daß es Träger in das Driftgebiet injiziert, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung folgende Teile umfaßt:

• a) eine zweite Gateelektrode (42), die unter Zwischenschal­ tung einer Isolierschicht (44) zumindest teilweise über dem Trägerinjektionsgebiet (34) angeordnet und mit der ersten Gateelektrode (14) verbunden ist,
• b) eine mit dem Trägerinjektionsgebiet (34) in elektrischem Kontakt stehende Kurzschlußelektrode (46) und
• c) ein in dem Trägerinjektionsgebiet (34) angeordnetes und an das Driftgelenk (24) angrenzendes Kanalgebiet (40), welches durch eine Spannung an der zweiten Gateelektrode (42) invertierbar ist und im leitenden Zustand der IGFET- Halbleitervorrichtung einen Strompfad von dem Driftgebiet (24) zu der Kurzschlußelektrode (46) bildet.

2. IGFET-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Trägerinjektionsgebiet (34) zwischen der Kurzschlußelektrode (46) und dem Kanalgebiet (40) ein stark dotiertes Gebiet (48) des ersten Leitungstyps angeordnet ist (Fig. 1).

3. IGFET-Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung folgende Teile umfaßt:

• a) eine zweite Gateelektrode (42), die unter Zwischenschal­ tung einer Isolierschicht (44) zumindest teilweise über dem Trägerinjektionsgebiet (34) angeordnet und mit der ersten Gateelektrode (14) verbunden ist,
• b) je ein Gebiet (47, 48) des ersten und des zweiten Leitungstyps, die in dem Trägerinjektionsgebiet angeordnet und so stark dotiert sind, daß sich zwischen ihnen ein Tunnelübergang (45) ausbildet, und
• c) ein in dem Trägerinjektionsgebiet (34) angeordnetes und an das Driftgebiet (24) sowie an das stark dotierte Gebiet (48) des ersten Leitungstyps angrenzendes Kanalgebiet (40), welches durch eine Spannung an der zweiten Gateelektrode (42) invertierbar ist (Fig. 2).