DE3540433C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein integriertes vertikales MOSFET-Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein konventionelles Bauelement ähnlicher Art wird als Beispiel für ein integriertes Leistungs-MOSFET-Bauelement beschrieben. Fig. 1 zeigt teilweise einen Seitenschnitt eines integrierten Leistungs-MOSFET-Bauelementes. In Fig. 1 weist ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstypes eine erste Schicht als Drain-Bereich hoher Konzentration 1b und eine zweite Schicht als Drain-Bereich niedriger Konzentration 1a auf. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Halbleiterbereich von einem zweiten Leitungstyp, der entgegengesetzt ist zu dem des Halbleitersubstrates 1; das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen nach außen gewölbten Bereich des zweiten Leitungstypes; das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Bereich als Source-Bereich des ersten Leitungstypes, die in der Oberflächenschicht des Halbleiterbereiches des zweiten Leitungstyps geformt sind; das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine isolierende Schicht; das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Gate- Elektrode; das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine von dem Gate isolierte Source-Elektrode; das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Drain-Elektrode.

Das integrierte vertikale Leistungs-MOSFET-Bauelement hat eine Struktur, in der eine große Zahl solcher Grundeinheiten parallel geschaltet sind.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des oben beschriebenen Bauelements beschrieben. Wenn eine Gate-Spannung zwischen der Gate-Elektrode 5 und der Source-Elektrode 6 angelegt wird, und eine Drain-Spannung zwischen der Drain-Elektrode 8 und der Source-Elektrode 6 angelegt wird, dann werden Kanäle in dem kanalbildenden Bereich 7 gebildet und ein Strom fließt zwischen der Drain-Elektrode 8 und der Source- Elektrode 6. Im Betrieb kann der Strom gesteuert werden, indem die zwischen der Gate-Elektrode 5 und der Source- Elektrode 6 angelegte Gate-Spannung gesteuert wird.

Eine Verbindung durch die Source-Elektrode 6 zwischen dem Halbleiterbereich 2 des zweiten Leitungstyps und dem Source- Bereich 3 ist unerläßlich zur Festlegung des Potentials des kanalbildenden Bereiches 7.

Das integrierte Leistungs-MOSFET-Bauelement hat den Vorteil, daß es sehr schnell ist, da das Prinzip Injektion und Bildung von Minoritätsträgern nicht berücksichtigt zu werden braucht. Auf der anderen Seite hat das integrierte Leistungs-MOSFET- Bauelement keine Möglichkeit, daß der EIN-Widerstand durch Änderung der Leitfähigkeit durch Minoritätsträger gesenkt werden kann. Daher ist der EIN-Widerstand des integrierten Leistungs-MOSFET-Bauelementes größer als der eines entsprechenden bipolaren Bauelementes. In dem integrierten Leistungs-MOSFET-Bauelement ist es daher nötig, die Länge um den aktiven Bereich herum zu vergrößern und den Hoch­ widerstandsbereich 1a dünn zu machen, damit die Stromkapazität vergrößert wird. Es ist wünschenswert, den Hochwiderstandsbereich 1a so dünn zu wählen, wie die Spannungsdurchschlagfestigkeit des Halbleiterbauelementes es erlaubt.

Damit das Leistungs-MOSFET-Bauelement noch dem Sekundärzu­ sammenbruch widersteht, ist jedoch der oben erwähnte, nach außen gewölbte Bereich 21 notwendig, so daß die Dicke des Bereiches 1a im Verhältnis zur Tiefe des nach außen gewölbten Bereiches 21 vergrößert werden muß.

Aus der JP 59-1 49 056 A ist ein integriertes vertikales MOSFET-Bauelement der eingangs beschriebenen Art bekannt. Bei diesem bekannten Bauelement ist nur ein Halbleiterbereich eines zweiten Leitungstypes in der Oberflächenschicht der zweiten Schicht und ein Bereich des zweiten Leitungstypes in der Oberfläche der zweiten Schicht neben dem genannten Halbleiterbereich vorgesehen. Daher ist das bekannte Bauelement nicht hochfrequenztauglich. Des weiteren ist es bei dem bekannten MOSFET-Bauelement schwierig, wie auch bei dem zuvor beschriebenen konventionellen Bauelement, die zwangsläufig auftretenden parasitären bipolaren Transistoren zu unterdrücken.

Aus dem GB-Buch: Streetmann, B. G., Solid State Electronic Devices, 2nd Ed., London 1980, Seite 203 ist es bekannt, bei Dioden, insbesondere bei Schaltdioden Lebensdauerbegrenzer, wie Gold, zur Verkürzung der Lebensdauer der Ladungsträger zu verwenden.

Aus dem US-Buch: Blicher, A., Field-Effect and Bipolar Power Transistor Physics, New York 1981, Seite 59 ist es bekannt, daß ein Diodenbereich zwei Unterbereiche aufweist, von denen der eine einen relativ flachen Teil und der andere einen relativ tiefen Teil bildet.

Aus der EP 01 09 692 A1 ist es bekannt, daß ein Diodenbereich relativ flach ausgebildet wird, unter Umständen so flach wie ein Halbleiterbereich zum Ausführen einer Feldeffekt-Funktion, und daß unter dem relativ flach ausgebildeten Diodenbereich ein hochkonzentrierter zusätzlicher Bereich gebildet wird.

Aus der DE 33 31 329 A1 ist schließlich ein vertikales MOSFET-Bauelement bekannt, bei dem zwei Halbleiterbereiche mit einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrates und jeweils an diesen Halbleiterbereichen gebildete, nach außen gewölbte Bereiche des zweiten Leitungstypes vorgesehen sind. Weiterhin ist neben diesen Halbleiterbereichen ein weiterer Bereich des zweiten Leitungstypes in der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet. Es handelt sich also im wesentlichen um ein MOSFET-Bauelement wie oben als bekannt beschrieben.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein konventionelles integriertes vertikales MOSFET-Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hochfrequenztauglich zu machen und dabei mittels einfacher Herstellung die Wirkung der parasitären bipolaren Transistoren zu unterdrücken.

Das erfindungsgemäße integrierte vertikale MOSFET-Bauelement ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine seitliche, aufgeschnittene Teilansicht eines konventionellen integrierten Leistungs-MOSFET- Bauelementes;

Fig. 2 ein die Ausgangskennlinie eines normalen MOSFET- Bauelementes zeigendes Diagramm;

Fig. 3A für den Fall, daß ein nach außen gewölbter Bereich in dem Halbleiterbereich 2 vom zweiten Leitungstyp nicht vorgesehen ist, eine Schnittansicht einer Grundstruktureinheit eines MOSFETs;

Fig. 3B den äquivalenten Schaltkreis für Fig. 3A;

Fig. 4 ein Beispiel eines Leistungs-MOSFETs mit Freilauf- Dioden in einer Leistungsschaltung;

Fig. 5 ein eine Wellenform der Spannung Vd einer in Fig. 4 gezeigten Freilaufdiode und eine Wellenform eines in dem mit der Freilaufdiode in Serie geschalteten MOSFETs fließenden Stromes Im zeigendes Diagramm;

Fig. 6 eine seitliche, geschnittene Teilansicht eines eine erste Ausführungsform darstellenden integrierten MOSFET-Bauelementes;

Fig. 7 eine seitliche, geschnittene Teilansicht eines eine zweite Ausführungsform darstellenden integrierten MOSFET-Bauelementes;

Fig. 8A eine Elektrodenanordnung eines eine dritte Ausführungsform darstellenden MOSFET-Bauelementes;

Fig. 8B eine entlang der Linie X-X in Fig. 8A genommene Schnittansicht;

Fig. 8C eine entlang der Linie Y-Y in Fig. 8A genommene Schnittansicht;

Fig. 9A eine seitliche, geschnittene Teilansicht eines eine weitere Ausführungsform darstellenden integrierten MOSFET-Bauelementes;

Fig. 9B die Draufsicht des Z-Bereiches in Fig. 9A.

Im folgenden sollen Überlegungen zu dem Zusammenbruchs- oder Durchbruchsverhalten in einem gewöhnlichen MOSFET beschrieben werden.

Fig. 2 ist ein allgemein Ausgangskennlinien eines MOSFETs zeigendes Diagramm. Fig. 3A zeigt zum Zweck der Erklärung des Durchbruchsverhaltens eine Schnittansicht einer Grundstruktur eines integrierten MOSFET-Bauelementes. In dem in Fig. 3A gezeigten integrierten MOSFET-Bauelement ist ein nach außen gewölbter Bereich 21 (wie in Fig. 1 gezeigt) nicht vorhanden. Fig. 3B zeigt den Äquivalentschaltkreis von Fig. 3A.

Im folgenden wird auf die Fig. 2, 3A und 3B Bezug genommen; wenn nicht ein nach außen gewölbter Teil 21 in dem Halbleiterbereich 2 des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, ist das Halbleiter-Bauelement der sofortigen Zerstörung ausgesetzt, wenn nur ein geringer Durchbruchsstrom fließt. Im folgenden wird der Mechanismus des Durchbruches beschrieben. Wenn die zwischen der Source und dem Drain angelegte Spannung erhöht wird und die Spannung in dem Drain-Bereich niedriger Konzentration 1a einen Durchbruchsstrom wie durch die drei Pfeile in Fig. 3A angedeutet.

An beiden Enden des Source-Bereiches 3 tritt ein bipolarer Transistor in parasitärer Form auf. Der unter dem Source-Bereich 3 von der Drain-Elektrode 8 fließende Strom Jc fließt von der Source-Elektrode 6 durch den Widerstand Ra heraus. Zu diesem Zeitpunkt werden die parasitären Transistoren leitend, es ist die Bedingung der folgenden Gleichung (1) erfüllt:

0.6 V < Jc × Ra (1)

Dieser Vorgang tritt zuerst in einem extrem kleinen Bereich des MOSFET-Bauelementes auf. Weiterhin können die parasitären Transistoren nicht in einem stabilen Zustand bleiben und es kann das Halbleiter-Bauelement in kurzer Zeit zerstört werden.

Wenn ein nach außen gewölbtes Teil 21 in dem Bereich 2 aus­ gebildet ist, tritt der Durchbruch nur in einem mittleren Teil des Bereiches 2 auf. Daher kann der Durchbruchsstrom unter dem Source-Bereich 3 verringert werden und der Widerstand Ra unter dem Source-Bereich 3 kann erniedrigt werden. Auf diese Weise kann das Auftreten von Durchbrüchen in dem gesamten Bau­ element auf bemerkenswerte Weise unterdrückt werden.

Aus den oben angeführten Gründen ist in einem normalen Bau­ element ein nach außen gewölbter Teil 21 in dem Bereich 2 so ausgebildet, daß ein Durchbruchsvorgang zwischen der Source und dem Drain verhindert wird (der sogenannte erste Durchbruch eines Halbleiter-Bauelementes).

Allgemein kann man sagen, daß in einem lateralen MOSFET ein Durchbruch zweiter Art, der ein ernstes Problem bei bipolaren Transistoren hervorruft, nicht vorkommt. Ein vertikales MOSFET-Bauelement jedoch weist einen parasitären Transistor auf, und daher gibt es die Möglichkeit, daß dort ein sekundärer Durchbruch auftritt. Der sekundäre Durchbruchsvorgang ist dabei besonders bei Schalt­ operationen bei hohen Spannungen und hohen Geschwindigkeiten zu erwarten. Es gibt jedoch keine Möglichkeit eines solchen Vorganges, wenn die Phase der Spannung und die Phase des Stromes, die an ein Halbleiter-Bauelement angelegt sind, voneinander verschieden sind, wie es der Fall bei einem "normalen" Schaltregler ist. Ein Durchbruchsvorgang tritt nur in der Betriebsart auf, in der Hochspannung an ein Halbleiter-Bauelement, in dem elektrischer Strom fließt, angelegt wird, etwa wenn ein Hochgeschwindigkeitsschaltvorgang in einem in Fig. 4 gezeigten Schaltkreis durchgeführt wird. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, ist es nur notwendig, zur Steuerung des in der Last 50 des Umkehrschaltkreises fließenden Stromes das Paar MOSFETs 40a und 40d in einem beliebigen Verhältnis einzuschalten oder abzuschalten oder das diagonal vorgesehene Paar MOSFETs 40b und 40c. Der Strom in der induktiven Last 50 fließt dabei gleichmäßig. Jetzt soll der Fall betrachtet werden, in dem das Paar MOSFETs 40b und 40c ein- und abgeschaltet wird, während das Paar MOSFETs 40a und 40d abgeschaltet bleibt. Wenn in diesem Fall die MOSFETs 40b und 40c abgeschaltet sind, kehrt der in der Last 50 fließende Strom sozusagen zu der Stromquelle 60 durch die mit den MOSFETs 40a und 40d umgekehrt parallel verbundenen Freilaufdioden 41a und 41d zurück.

Da Hochgeschwindigkeitsdioden für diese Freilaufdioden 41a und 41d erforderlich sind, ist ein separates Bauelement angeschlossen. Auf der anderen Seite sind in dem MOSFET, wie in Fig. 3B gezeigt, parasitäre Dioden enthalten. Daher fließt der Strom, der durch die Freilaufdioden fließen soll, teilweise auch durch den MOSFET-Chip.

Als nächstes zeigt Fig. 5 ein Beispiel des Spannungsverlaufs Vd der Freilaufdioden 41a und 41d auf den Seiten (a) und (d) und ein Beispiel des in den MOSFETs 40b und 40c fließenden Stromes Im, nachdem ein EIN-Signal an die MOSFETs 40b und 40c im AUS-Zustand nachfolgend nach dem oben beschriebenen Zustand angelegt ist. Wenn die MOSFETs 40b und 40c eingeschaltet oder leitend sind (insbesondere im Fall, wenn die Schaltgeschwindigkeit der MOSFETs groß ist), erhöht sich der Erholungsstrom der Freilaufdioden 41a und 41d auf den Zweigen (a) und (d) beinahe linear. Das Verhältnis dieser Zunahme ist durch das Verhältnis (Vcc/Lo) zwischen der Speisespannung Vcc und der Induktivität Lo der Verbindung bestimmt. Während der Zeit, in der dieser Strom fließt, haben die Freilaufdioden 41a und 41d einen beträchtlich geringen Impedanzwert, und die Speisespannung liegt an den MOSFETs 40b und 40c an. Insbesondere sind die MOSFETs 40b und 40c in einem Zustand, in dem ein beträchtlicher elektrischer Strom fließt, wenn die Speisespannung an die MOSFETs angelegt wird. Dieser Zustand wird im allgemeinen "Kurzschluß- Zustand" genannt. Daher erreicht die Spannung zur Zeit des Stromrückgangs einen extrem hohen Spitzenwert.

In dem oben beschriebenen Zustand passiert es dann manchmal, daß ein beträchtlicher Leistungsverlust in dem Schaltkreis auftreten kann, der in der Zerstörung der MOSFETs (b), (c) resultiert. Typischerweise geschieht die Zerstörung in dieser Betriebsart nach Erhöhen der Temperatur durch Aufheizung, und es ist kein reiner Sekundärdurchbruchsvorgang.

Ein reiner Sekundärdurchbruch, der ein Problem in den MOSFETs wird, tritt aber auf den in Fig. 4 gezeigten Zweigen (a) und (d) auf. Die notwendigen Bedingungen für den Zusammenbruch der MOSFETs auf den Zweigen (a) und (d) sind wie folgt:

• (1) Ein sog. "freilaufender" Strom fließt in den MOSFETs. (Der Sekundärdurchbruch tritt nicht auf, wenn die Dioden mit den MOSFETs so in Serie geschaltet sind, daß dieser Strom nur in den Freilaufdioden fließt.)
• (2) Die Erholzeit des Stromes in den MOSFETs ist länger als die Erholzeit in den Freilaufdioden. (Der Durchbruch tritt nicht auf, wenn die Freilaufdioden nicht für Hochgeschwindigkeit ausgelegt sind).
• (3) Der Anstieg der Spannung ist steil. (Wenn ein Stoßspannungs-Schutzkreis zum Verhindern des schnellen Ansteigens der Spannung vorgesehen ist, tritt der Durchbruch auch nicht auf.)

Diese Bedingungen sind im Prinzip die gleichen, wie die Bedingungen, die einen Sekundärdurchbruchsvorgang erzeugen, wenn nur bipolare Transistoren als Umkehrer benutzt werden. Der Sekundär-Durchbruchsvorgang in diese Betriebsart kann dabei theoretisch wie folgt erklärt werden.

Es sei der Fall genommen, in dem sogar ein geringer elektrischer Strom in den MOSFETs zu einer Zeit des Freilaufens fließt, und eine vollständige Erholung kann in der Übergangs­ zone der MOSFETs nicht durchgeführt werden, bevor eine hohe Spannung abrupt angelegt wird. In diesem Fall werden in dem Hochwiderstands-Drain-Bereich 1a zurückgebliebene Minoritätsträger durch ein elektrisches Feld beschleunigt, sobald die Spannung angelegt wird, so daß die Minoritätsträger sich in dem Bereich 2 auf der Source-Seite bewegen. Wenn der Anstieg der Spannung extrem steil ist, kann ein die Minoritätsträger durch das elektrische Feld erhöhender Lawinenvorgang wirksam werden, bevor all die verbleibenden Minoritätsträger den Bereich 2 erreichen. Die Bewegung der Minoritätsträger zu dem Bereich 2 bedeutet, daß ein Basisstrom zu den an beiden Enden des Bereiches 3 gebildeten parasitären Transistoren geführt wird. Insbesondere, wenn der die Minoritäts­ träger erhöhende Lawinenvorgang die durch die Gleichung (1) bestimmte Bedingung erfüllt, werden die parasitären Transistoren leitend. Wenn die parasitären Transistoren leitend sind, werden wiederum neue Ladungsträger dem Hochwiderstands- Drain-Bereich 1a zugeführt.

Die Bedingung zur Erzeugung eines solchen Vorganges hängt prinzipiell von der Intensität des elektrischen Feldes in dem Hochwiderstands-Drain-Bereich 1a, von dem Widerstandswert Ra zwischen dem Emitter und der Basis und von dem Gleichstrom-Verstärkungs-Faktor h_FE des beteiligten parasitären Transistors ab. Wenn insbesondere das elektrische Feld stark ist und der Widerstand Ra und der Gleichstromverstärkungs-Faktor h_FE hohe Werte haben, geschieht eine oben beschriebene Rückkopplung leicht. Ist erst einmal dieser positive Rückkopplungszustand erreicht, wird die Leitung in diesem Bereich nicht konstantgehalten, es sei denn, die Werte der Speisespannung und der elektrischen Feldintensität werden verringert. Dies bedeutet, daß Betrieb mit einer hohen Stromdichte in lokalen Bereichen des Halbleiter- Bauelementes durchgeführt wird, an die weiterhin eine hohe Spannung angelegt wird. Als Ergebnis wird das Halbleiter- Bauelement direkt zerstört durch die Temperaturerhöhung der Aufheizung.

Zusammenfassend gesagt, der nach außen gewölbte Bereich 21 muß notwendigerweise in der Region 2 ausgebildet werden, damit solche Phänomene unterdrückt werden. Der nach außen gewölbte Bereich sichert die folgenden Effekte:

• (1) Der Teil, in dem ein Lawinenvorgang aus zunehmenden Minoritätsträgern entsteht, ist getrennt von dem Teil, in dem die Möglichkeit besteht, daß parasitäre Transistoren unerwünschte Effekte erzeugen.
• (2) Der Widerstand Ra wird verringert.

Auf der anderen Seite übt der nach außen gewölbte Teil 21 jedoch auch ungünstige Einflüsse aus. Insbesondere ist es wünschenswert, daß der nach außen gewölbte Teil 21 eine Tiefe so groß wie möglich hat, damit der Lawinenvorgang in dem parasitären Transistor unterdrückt wird. Jedoch nähert sich der mit einer so großen Tiefe versehene nach außen gewölbte Teil 21 dem Teil, der dem Lawinenvorgang unterworfen ist. Zusätzlich wird die von dem nach außen gewölbten Teil 21 beanspruchte Breite groß, wenn der nach außen gewölbte Teil tief wird, und die Fläche der Grundeinheit nimmt zu, und damit wird der aktive Bereich des MOSFETs kleiner.

Zusätzlich gibt es einen Fall, in dem Lebensdauer-Begrenzer in einem MOSFET-Bauelement angebrachten Dioden vorgesehen sind, damit das MOSFET-Bauelement zum Betrieb mit Hochfrequenz angepaßt werden kann. In diesem Fall jedoch sind die aktiven Teile des MOSFETs nahe den Dioden gelegen, und als Resultat wird die Lebensdauer der aktiven Teile verringert und das Betriebsverhalten wird verschlechtert.

Nach der obigen Beschreibung ist es verständlich, daß die Spannung, bei der noch kein Sekundärdurchbruch in einem MOSFET auftritt, effektiv in der folgenden Weise erhöht werden kann:

• (1) Die an den parasitären Transistor angelegte Feldintensität wird klein gemacht,
• (2) der Widerstandswert Ra zwischen dem Emitter und der Basis eines jeden parasitären Transistors und der Gleichstromverstärkungsfaktor h_FE werden klein gemacht, und
• (3) der in der Nähe der parasitären Transistoren zur Zeit des Freilaufens fließende Strom wird verringert.

Weiterhin soll der in den Dioden fließende Strom klein sein, da er, auch wenn er außerhalb der parasitären Transistoren fließt und keine Verbindung mit dem sekundären Durchbruch hat, einen Leistungsverlust verursacht.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit einem daran als erste Schicht gebildeten Drain-Bereich 1b von hoher Konzentration und einem als zweite Schicht gebildeten Drain-Bereich 1a von geringer Konzentration. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen in der Oberflächenschicht des Drain-Bereiches 1a von geringer Konzentration ausgebildeten Halbleiterbereich (aktiven Bereich) eines zweiten Leitungstyps. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet in der Oberflächenschicht des Bereiches 2 ausgebildete Source- Bereiche vom ersten Leitungstyp. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine isolierende Schicht; das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Gate-Elektrode; das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Source-Elektrode; und das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Drain-Elektrode. Das Bezugszeichen 7 in dem Oberflächen­ schichtteil des Bereiches 2 bezeichnet kanalbildende Bereiche.

Ein wichtiges Merkmal eines Bauelementes dieser Ausführungsform besteht darin, daß ein neu in der Oberflächenschicht des Bereiches 1a von geringer Konzentration gebildeter Halb­ leiterbereich 9 vom zweiten Leitungstyp als Diode dient, dieser Bereich 9 ist von dem FET-aktiven Bereich 2 getrennt und tiefer als der FET-aktive Bereich 2.

Mit der oben beschriebenen Anordnung fließt der in dem FET- aktiven Bereich 2 fließende Strom auch in dem Diodenbereich 9, und daher kann der in der Nähe eines in dem FET-aktiven Bereich 2 existierenden parasitären Transistors fließende Strom erniedrigt werden.

Zusätzlich fließt der freilaufende Strom nur in einem zentralen Teil des FET-aktiven Bereiches, da solch ein wie vorhergehend beschriebener nach außen gewölbter Teil 21 nicht in dem Bereich 2 ausgebildet zu werden braucht, und daher kann der auf den parasitären Transistor ausgeübte Einfluß wesentlich verringert werden.

Weiterhin können die Stehspannungs-Merkmale wie unten beschrieben im Verhältnis zu dem Sekundärdurchbruch ebenfalls verbessert werden. Im einzelnen gesagt, wenn eine hohe Spannung angelegt ist, wird der Großteil der Spannung in dem Bereich 1a von niedriger Konzentration lokalisiert. Wenn die Dicke dieses Bereiches 1a, d. h. die senkrechte Ausdehnung des Bereiches 1a in Fig. 6, groß ist, wird der Spannungsabfall aufgrund des Widerstandes groß. Aus diesem Grund wird in einem gewöhnlichen Bauelement die Dicke des Drain-Bereiches 1a von niedriger Konzentration dünn gemacht, damit eine Sperrschicht (Verarmungsschicht) den Drain-Bereich 1b von hoher Konzentration mit einem deutlich geringeren Wert als die Nennspannung erreicht. Als Folge davon ist in einem Spannungsbereich, in dem es die Möglichkeit eines Sekundärdurchbruches gibt, die Sperrschicht über die ganze Fläche des Drain-Bereiches 1b von hoher Konzentration verteilt. Da der Durchbruch in einer Übergangsschicht an dem höchsten Punkt des elektrischen Feldes auftritt, hängt das Auftreten eines Durchbruches von der kürzesten Entfernung zwischen dem Diodenbereich 9 und dem Hochkonzentrationsbereich 1b ab. Wenn z. B., wie in Fig. 2 gezeigt, eine Durchbruchsspannung angelegt wird, fließt der Durchbruchsstrom nur in dem Diodenbereich 9. Als Ergebnis ist die Durchbruchsstärke durch die Stehspannungshöhe des Diodenbereiches 9 bestimmt, und ein Sekundärdurchbruch tritt in dem FET-aktiven Bereich 2 nicht auf. Da der Diodenbereich 9 von dem FET-aktiven Bereich 2 getrennt ist, kann die Tiefe des Diodenbereiches 9 in weitem Bereich frei gewählt werden und eine große Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung kann effektiv erzielt werden. Daher kann durch geeignetes Setzen der Tiefe des Diodenbereiches eine Schutzfunktion vorgesehen werden, so daß ein integriertes MOSFET- Bauelement nicht einer gefährlichen Spannung ausgesetzt wird.

Im Vergleich des Diodenbereiches 9 mit dem nach außen gewölbten Teil 21 eines normalen Bauelementes können die folgenden Unterschiede bemerkt werden. Der normale nach außen gewölbte Teil 21 kann keine ausreichende Schutzfunktion im Punkt der Durchbruchsstärke erfüllen, weil seine Tiefe in dem Bereich 1a niedriger Konzentration begrenzt ist, so daß die effektive Fläche des Halbleiter-Bauelementes nicht wesentlich verkleinert wird und der Einfluß des frei­ laufenden Stromes auf die parasitären Transistoren nicht vergrößert wird. Im Gegenteil, der Diodenbereich 9 ist ein Bereich unabhängig von dem FET-aktiven Bereich 2, und die oben beschriebenen Begrenzungen treten nicht auf, und daher kann der Diodenbereich 9 zum Durchführen einer gewünschten Schutzfunktion im Punkte der Durchbruchsstärke bis in eine ausreichende Tiefe ausgebildet werden.

Zusätzlich ist es bei einem normalen Bauelement schwierig, die Größe wegen der durch den nach außen gewölbten Teil 21 beanspruchten Fläche kleiner als 60 µm² zu machen, während in dieser Ausführungsform die Größe einer Grundeinheit eines Bauelementes bis zu ungefähr 40 µm² gesenkt werden kann. Die Stromkapazität eines Bauelementes dieser Ausführungsform kann im Vergleich mit einem normalen Bauelement um 50% erhöht werden.

Obwohl in Fig. 6 solch ein nach außen gewölbter Teil 21 wie in einem normalen Bauelement nicht in dem Bereich 2 gebildet ist, kann ein ziemlich kleiner nach außen gewölbter Teil 21 gebildet werden, wenn er innerhalb eines Bereiches flacher als der Diodenbereich 9 bleibt. Daher kann der Widerstandswert Ra des FET-aktiven Bereiches 2 erniedrigt werden.

Fig. 7 zeigt eine seitliche geschnittene Teilansicht eines integrierten FETMOS-Bauelementes in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des MOSFET-Bauelementes. Ein wichtiges Merkmal der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß die Tiefe des Diodenbereiches 9′ fast der gleiche ist wie die Tiefe des Bereiches 2 und ein Bereich von hoher Konzentration 10 des gleichen Leitungstyps wie der des Drain-Bereiches 1a von geringer Konzentration mit einer bei weitem höheren Fremdatomkonzentration in Kontakt mit der Bodenfläche des Diodenbereiches 9′ gebildet ist. Andere Vorteile dieser Ausführungsform sind vergleichbar wie bei der Ausführungsform von Fig. 6 und daher werden gleiche Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform erzeugt der Unterschied in der Dicke des Drain-Bereiches 1a von niedriger Konzentration zwischen dem Drain-Bereich 1b von hoher Konzentration und dem Bereich 2 oder dem Diodenbereich 9 einen Unterschied in der Durchbruchsspannung zwischen dem FET-aktiven Bereich 2 und dem Diodenbereich 9, dagegen wird in der Ausführungsform von Fig. 7 durch den Unterschied in der Störatomkonzentration derselbe Effekt erzielt.

Fig. 8A ist eine Ansicht einer Elektrodenanordnung auf der oberen Oberfläche eines integrierten vertikalen MOSFET-Bauelements einer weiteren Ausführungsform. Fig. 8B ist eine entlang der Linie X-X in Fig. 8A genommene Schnittansicht. Fig. 8C ist eine entlang der Linie Y-Y in Fig. 8A genommene Schnitt­ ansicht. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 12 eine Gate-Elektroden-Verbindung. Der durch punktierte Linien gekennzeichnete Teil 30 ist eine Stelle, auf der ein Gate- Anschlußstreifen angebracht ist, und der Teil 31 ist eine Stelle, auf der ein Source-Anschlußstreifen angebracht ist. Normalerweise wird der Diodenbereich wie in Fig. 8C gezeigt am effektivsten gerade unter dem Source-Anschlußstreifen 31 ausgebildet. Die Lage des Diodenbereiches 9 ist jedoch nicht auf den oben beschriebenen Ort beschränkt, und der Diodenbereich 9 kann unter der Gate-Elektrodenver­ bindung 12 ausgebildet werden. Im letzteren Fall kann das Verhältnis des Diodenbereiches zu dem MOSFET-aktiven Bereich erhöht werden, und der Einfluß des freilaufenden Stromes auf den MOSFET-aktiven Bereich kann verringert werden. Daher wird die Stabilität des Betriebes des MOSFETs bei hohen Spannungen verbessert.

In dem Fall, in dem die freilaufenden Dioden nicht außerhalb des Bauelementes angebracht sind, sondern innerhalb des Bauelementes enthalten sind, wird somit ein angemessenes Verhältnis der Diodenflächen benötigt.

Fig. 9A zeigt eine seitliche geschnittene Teilansicht eines integrierten vertikalen MOSFET-Bauelementes nach einer weiteren Ausführungsform. Fig. 9B zeigt eine teilweise Draufsicht auf den Teil Z von Fig. 9A. Ein wichtiges Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß sich die Tiefe des Diodenbereiches 9 in Abhängigkeit von der Position ändert. Das bedeutet im einzelnen, daß der Diodenbereich 9 einen relativ tiefen Diodenbereich 9a an seinen Außenteilen und einen relativ flachen Diodenbereich 9b in seinen inneren Teilen aufweist. Die Verbindung zwischen dem Diodenbereich 9 und der Source-Elektrode 6 wird in dem wesentlichen zentralen Teil des relativ flachen Diodenbereiches 9b durch einen elektrodenbildenden Teil 110 hergestellt.

In einer solchen Anordnung dient der relativ flache Dioden­ teil 9b als ein in Serie mit der Diode geschalteter Widerstand. Wenn dieses Bauelement in einem Schaltkreis, bei dem Freilaufdioden umgekehrt parallel mit dem FET-Bauelement wie in Fig. 4 gezeigt verbunden sind, verwendet wird, kann folglich der gesamte Betrag des in dem Halbleiter-Bauelement zur Zeit des Freilaufens fließende elektrische Strom vermindert werden. Deshalb kann die Wärmeerzeugung des Halbleiter- Bauelementes erniedrigt werden, und die Widerstandsfähigkeit gegen eine durch wärmeerzeugende Faktoren verursachte Zerstörung kann verbessert werden.

Claims (3)

1. Integriertes vertikales MOSFET-Bauelement mit einem elektrischen Hauptstrompfad in senkrechter Richtung und mit einem eine erste Schicht (1b) mit einer relativ hohen Störstellenkonzentration und eine auf der ersten Schicht gebildeten zweiten Schicht (1a) mit einer relativ niedrigen Störstellenkonzentration aufweisenden Halbleitersubstrat (1) von einem ersten Leitungstyp, einem Halbleiterbereich (2) eines zweiten Leitungstyps in der Oberflächenschicht der zweiten Schicht (1a) mit in der Oberfläche des Halbleiterbereiches (2) vorgesehenen Halbleiterbereiches (3) des ersten Leitungstyps, einer isolierenden Schicht (4), die sich über einen Oberflächenteil des Halbleitersubstrates (1a) und einen Teil des Halbleiterbereiches (2) erstreckt, mit einer durch die isolierende Schicht (4) elektrisch von den Halbleiterbereichen (2, 1a) getrennten Gate-Elektrode (5), mit einem Bereich (9) des zweiten Leitungstyps in der Oberfläche der zweiten Schicht (1a) neben dem Halbleiterbereich (2), der zusammen mit den Schichten (1a, 1b) eine Diode bildet und der tiefer ausgebildet ist als der Halbleiterbereich (2), mit einer die Halbleiterbereiche (2, 3, 9) kontaktierenden Source- bzw. Drain-Elektrode (6) und einer die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) kontaktierende Drain- bzw. Source-Elektrode (8), dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche der zweiten Schicht (1a) eine Mehrzahl von entsprechend ausgebildeten Halbleiterbereichen (2) und jeweils zugehörigen Bereichen (9) ausgebildet und parallel geschaltet sind und daß die Bereiche (9) Lebensdauerbegrenzer aufweisen.

2. Integriertes MOSFET-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (9) einen relativ flachen Teil (9b) und einen relativ tiefen Teil (9a) aufweisen und eine Verbindungselektrode (110) auf der Oberfläche des flachen Teiles (9b) vorgesehen sind.

3. Integriertes MOSFET-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (9) aus einem ersten Abschnitt (9′) des zweiten Leitungstyps in der Oberfläche der zweiten Schicht (1a) und einem daran anschließenden zweiten Abschnitt (10) des ersten Leitungstyps mit einer hohen Störstellenkonzentration bestehen.