DE3852986T2

DE3852986T2 - Vertikale MOSFET-Vorrichtung mit Schutz.

Info

Publication number: DE3852986T2
Application number: DE3852986T
Authority: DE
Inventors: Koichi Murakami; Kraisorn Thromgmumchai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1988-11-07
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2008-11-08
Also published as: EP0315213A3; US4963970A; DE3852986D1; JPH081956B2; JPH01122170A; EP0315213A2; EP0315213B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vertikale MOSFET- Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 und 3.
In Figur 1 ist eine herkömmliche vertikale MOSFET-Vorrichtung, wie sie etwa in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 60-258967 beschrieben ist, gezeigt. In diesem Fall wurde eine n-hochohmige Epitaxieschicht 12 auf ein n&spplus;- niederohmiges Substrat 11 aufgewachsen, und ein p-Kanalbereich 13, der einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von dem der Epitaxieschicht 12 unterscheidet, ist auf einem oberen Flächenbereich davon ausgebildet. Ein n&spplus;-Sourcebereich 14, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxieschicht 12 aufweist, ist in einem mittleren oberen Flächenbereich des p-Kanalbereichs 13 ausgebildet, und ein p&spplus;-Kanalkontaktbereich 15 ist in dem linken Oberflächenbereich des p-Kanalbereichs 13 ausgebildet. Ein isolierender Gatefilm 16 ist auf den rechten Oberflächen der Epitaxieschicht 12, des p-Kanalbereichs 13 und des überlappenden Teils des Sourcebereichs 14 ausgebildet. Eine Gateelektrode 17 ist dann über der gesamten Oberfläche des isolierenden Gatefilms 16 geformt. Eine Sourceelektrode 18 ist so ausgebildet, daß sie sich teilweise über die Oberflächen des n&spplus;-Sourcebereichs 14 und des p&spplus;-Kanalkontaktbereichs 15 erstreckt. Die Gateelektrode 17, die Sourceelektrode 18 und das Halbleitersubstrat 11 sind jeweils mit einem Gateanschluß G, einem Sourceanschluß S und einem Drainanschluß D verbunden.
In Figur 2 ist ein Bereich gezeigt, in dem die herkömmliche vertikale MOSFET-Vorrichtung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, einen sicheren Betrieb aufweist (ASO). Die Sicherheitskurve ASO wird durch drei charakteristische Linien 21, 22 und 23 definiert, welche jeweils die durch den maximalen Strom, den maximalen Leistungsverbrauch und die maximale Spannung bedingten Grenzen darstellen.
Wenn in diesem Ausführungsbeispiel eine Überlast wie etwa ein Kurzschluß oder ähnliches an das MOSFET-Element angelegt wird, fließt ein Überstrom, der über die Bemessung für einen sicheren Betrieb geht, in die MOSFET-Vorrichtung und verursacht einen Durchbruch oder die Zerstörung der MOSFET-Vorrichtung infolge ihres Temperaturanstiegs.
Um so einen Durchbruch eines Elements oder einer Vorrichtung infolge einer Überlast zu verhindern, ist zusätzlich ein bestimmter externer Schutzkreis erforderlich, was wiederum erhöhte Kosten und Unhandlichkeit des Elements oder der Vorrichtung mit sich bringt.
Eine vertikale MOSFET-Vorrichtung ist bereits in Druckschrift GB 2103877A beschrieben, welche eine Halbleitervorrichtung mit isoliertem Gate beschreibt, die ein Schutzelement aufweist, um dielektrischen Durchschlag zu verhindern. Dotierte Bereiche, die horizontal in einer Schicht auf einem isolierenden Film angebracht sind, sorgen für gegensinnig gepolte Schutzdiodenpaare (n-p-n), die zwischen der Gateelektrode und der Oberflächenelektrode gekoppelt sind. Die dotierten Bereiche bestehen aus polykristallinem Halbleitermaterial. Die Aufgabe dieser Druckschrift ist es, permanenten Durchschlag des vertikalen MOSFETs zu verhindern, der durch eine Thyristoroperation infolge eines parasitären Transistors verursacht wird.
Auch das Dokument Patent Abstracts of Japan 10 (384), (E-466) [2441] beschreibt eine Schutz-Zenerdiode in einem p-Graben, die neben einem MOSFET in ein n-Substrat geformt ist, um den MOSFET von einer hohen Spannung, die an die Gateelektrode angelegt wird, zu schützen.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vertikale MOSFET-Vorrichtung bereitzustellen, die ein Schutzelement aufweist, und nicht die zuvor genannten Fehler und Nachteile, wie sie im Stand der Technik vorkommen, aufweist, und die fähig ist, einen Durchbruch der vertikalen MOSFET-Vorrichtung infolge ihrer Temperaturerhöhung oder ahnlichem zu verhindern, und die darüber hinaus einfach gebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Kennzeichen der Ansprüche 1, 2 und 3 gelöst.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer herkömmlichen vertikalen MOSFET-Vorrichtung;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die einen Bereich des sicheren Betriebs einer herkömmlichen MOSFET- Vorrichtung nach Figur 1 zeigt;
Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein Ersatz-Schaltbild der vertikalen MOSFET- Vorrichtung nach Figur 3;
Fig. 5 ist ein Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 6 ist ein Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen ist in Figur 3 und 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gezeigt, die ein Schutzelement gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
In den Zeichnungen ist eine hochohmige n-Epitaxieschicht 32 auf einem niederohmigen n&spplus;-Substrat 31, wie etwa einem Siliciumhalbleitersubstrat, aufgewachsen, und ein p-Kanalbereich 33 eines Leitfähigkeitstyps, der sich von dem der Epitaxieschicht 32 unterscheidet, ist in einem oberen Flächenbereich davon ausgebildet. Ein n&spplus;-Sourcebereich 34, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxieschicht 32 aufweist, ist in einem mittleren oberen Flächenbereich des p-Kanalbereichs 33 ausgebildet, und ein p&spplus;-Kanalkontaktbereich 35 ist in dem linken Oberflächenbereich des p-Kanalbereichs 33 ausgebildet. Ein isolierender Gatefilm 36 ist über der Oberfläche der rechten Seite der n-Epitaxieschicht 32 und der p-Kanalregion 33 gebildet und überlappt zum Teil mit dem Sourcebereich 34, und ein polykristalliner n&spplus;-Film 37, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der n&spplus;-Sourcebereich 34 aufweist, ist als Gateelektrode auf die gesamte Oberfläche des isolierenden Gatefilms 36 geformt. Ein p&spplus;-polykristalliner Siliciumfilm 39, der einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von dem der polykristallinen Schicht 37 unterscheidet, ist darauf gebildet, um einen PN-Übergang dazwischen zu schaffen. Eine Sourceelektrode 38 ist so ausgebildet, daß sie sich zum Teil über die Fläche des n&spplus;-Sourcebereichs 34 und des p&spplus;-Kanalkontaktbereichs 35 erstreckt und ist elektrisch mit dem polykristallinen Siliciumfilm 39 verbunden.
In Figur 4 ist ein Ersatzschaltbild für die vertikale MOSFET-Vorrichtung, die zuvor beschrieben wurde, gezeigt, die einen vertikalen MOSFET 41 einschließt, der die Komponenten 31 bis 38 umfaßt, eine Schutzdiode 42, die integral an den MOSFET 41 angebracht ist, und aus den polykristallinen Siliciumfilmen 37 und 39, die den PN-Übergang dazwischen aufweisen, zusammengesetzt ist, und einem Eingangswiderstand (in Figur 3 nicht gezeigt), um die Gatespannung zu beschränken.
Nachfolgend wird der Betrieb der zuvor beschriebenen vertikalen MOSFET-Vorrichtung, die das Schutzelement aufweist, beschrieben. Wie in Figur 3 gezeigt, steigt die Übergangstemperatur der Schutzdiode 42 und der Leckstrom I, der durch die Schutzdiode 42 fließt, exponentiell, wenn die Temperatur des MOSFETs 41 infolge von Überlast oder ähnlichem steigt, da die Schutzdiode 42, die die polykristallinen Siliciumfilme 37 und 39 umfaßt, thermisch mit dem vertikalen MOSFET 41 in Kontakt steht. So wird die Gatespannung des MOSFETs 41 reduziert und der Strom, der durch den MOSFET 41 fließt, und der Energieverbrauch darin werden automatisch reduziert, so daß der Temperaturanstieg des MOSFETs 41 beschränkt wird, und der MOSFET 41 vor dem Durchbruch infolge des Temperaturanstiegs geschützt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schutzdiode 42 integral auf dem Gateelektrodenbereich vorgesehen, und der Bereich und die Größe der Schutzdiode 42 können im Vergleich zu den externen Schutzkreisen, die an herkömmliche MOSFET- Vorrichtungen angebracht sind, vermindert werden. Außerdem kann bei diesem Auführungsbeispiel die Empfindlichkeit auf den Temperaturanstieg im Vergleich zu den herkömmlichen MOSFET-Vorrichtungen weitgehend verbessert werden.
Ein metallisches Material, wie etwa Aluminim, kann anstelle des polykristallinen Siliciumfilms 39 des ersten Ausführungsbeispiels, wie es in Figur 1 gezeigt ist, verwendet werden. In solch einem Fall ist zwischen der metallischen Elektrode und dem polykristallinen Siliciumfilm 59 ein Schottky-Übergang, der die gleiche Wirkung und das gleiche Ergebnis wie der Übergang des ersten Ausführungsbeispiels mit sich bringt.
In Figur 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die den gleichen Aufbau wie der zuvor beschriebene Stand der Technik aufweist, mit der Ausnahme des Kanalkontaktbereichs. Das heißt, daß ein n&spplus;-polykristalliner Siliciumfilm 40, der einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von dem der p&spplus;-Kanalkontaktregion 35 unterscheidet, darauf getrennt von der Sourceelektrode 38 gebildet ist. Der polykristalline Siliciumfilm 40 ist elektrisch mit der Gateelektrode 37a verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel stellen der Kanalkontaktbereich 35 und der polykristalline Siliciumfilm 40 die Schutzdiode 42 dar, die in gleicher Weise wie die des ersten Ausführungsbeispiels funktioniert und die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile wie das erste Ausführungsbeispiel mit sich bringt.
In Figur 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer vertikalen MOSFET-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die den gleichen Aufbau wie das zuvor beschriebene zweite Ausführungsbeispiel aufweist, mit der Ausnahme, daß der p&spplus;-Kanalkontaktbereich 35 tiefer durch den p-Kanalbereich 33 gebildet ist, um die n-Epitaxieschicht 32 zu berühren, und ein n&spplus;-Bereich 41 in dem Oberflächenbereich des Kanalkontaktbereichs 35 gebildet ist, anstelle des n&spplus;-polykristallinen Siliciumfilms 40 des zweiten Ausführungsbeispiels. In diesem Ausführungsbeispiel stellen der n&spplus;-Bereich 41 und der Kanalkontaktbereich 35 eine Schutzdiode mit PNÜbergang dar, anstelle der Schutzdiode des zweiten Ausführungsbeispiels, die aus dem polykristallinen Siliciumfilm 40 und dem Kanalkontaktbereich 35 gebildet ist. So können in diesem Auführungsbeispiel die gleichen Wirkungen und Ergebnisse wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
In diesem Fall kann der Bereich 41, der das Schutzelement bildet, mit dem Sourcebereich 34 in einem Schritt hergestellt werden, und so kann die vertikale MOSFET-Vorrichtung hergestellt werden ohne besondere Maskier- und Prozeß schritte bereitzustellen.
Weiter kann in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu dem Schutz der vertikalen MOSFET- Vorrichtung vor Durchschlag infolge seiner außerordentlich hohen Temperatur, indem die Durchbruchspannung der Schutzdiode, die zwischen der Gate- und Sourceelektrode angebracht ist, gesteuert wird, gleichzeitig der isolierende Gatefilm der vertikalen MOSFET-Einrichtung vor elektrostatischer Zerstörung bewahrt werden. In diesem Fall funktioniert die Schutzdiode 42 als eine Zenerdiode, um die Gatespannung zu begrenzen, und die elektrostatische Ladung fließt in die Source durch die Zenerdiode, wobei sich der Durchbruch des isolierenden Gatefilms infolge von statischer Elektrizität reduziert.

Claims

1. Vertikale MOSFET-Vorrichtung, die folgendes umfaßt:

(a) eine Halbleiterschicht (31, 32) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

(b) einen Kanalbereich (33) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einem Oberflächenbereich der Halbleiterschicht ausgebildet ist;

(c) einen Sourcebereich (34) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in dem Kanalbereich gebildet ist;

(d) einen isolierenden Gatefilm (36), der teilweise auf dem Kanalbereich ausgebildet ist, und den Sourcebereich (34) und die Halbleiterschicht (31, 32) überlappt;

(e) eine Gateelektrode (37), die auf der gesamten Oberfläche des isolierenden Gatefilms ausgebildet ist;

(f) ein Schutzelement (42), das einen PN-Übergang oder einen Schottky-Übergang oder beides aufweist, und zwischen dem Sourcebereich (34) und der Gateelektrode (37) elektrisch gekoppelt ist und integral in dem vertikalen MOSFET ausgebildet ist,

gekennzeichnet durch einen polykristallinen Siliciumfilm (39), der einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der sich von dem Leitfähigkeitstyp der Gateelektrode unterscheidet, und auf der Gateelektrode (37) ausgebildet ist, um das Schutzelement (42) zu bilden.

2. Vertikale MOSFET-Vorrichtung, die folgendes umfaßt:

a) eine Halbleiterschicht (31, 32) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

(e) eine Gateelektrode (37a), die auf der gesamten Oberfläche des isolierenden Gatefilms ausgebildet ist;

(f) ein Schutzelement (42), das einen PN-Übergang oder einen Schottky-Übergang oder beides aufweist, und zwischen dem Sourcebereich (34) und der Gateelektrode (37a) elektrisch gekoppelt ist und integral in dem vertikalen MOSFET ausgebildet ist,

gekennzeichnet durch

einen Kanalkontaktbereich (35) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in dein Oberflächenbereich des Kanalbereichs (33) ausgebildet ist, und eine höhere Dotierkonzentration als der Kanalbereich aufweist,

einen polykristallinen Siliciumfilm (40), des ersten Leitfähigkeitstyps, der auf dem Kanalkontaktbereich (35) ausgebildet ist, wobei der Kanalkontaktbereich (35) und der Film (40) das Schutzelement (42) darstellen.

3. Vertikale MOSFET-Vorrichtung, die folgendes umfaßt:

a) eine Halbleiterschicht (31, 32) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

gekennzeichnet durch

einen Kanalkontaktbereich (35) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in der Oberfläche des Kanalbereichs (33) ausgebildet ist, und eine höhere Dotierkonzentration als der Kanalbereich aufweist;

und einen Bereich (41) des ersten Leitfähigkeitstyps, der in dem Kanalkontaktbereich (35) ausgebildet ist, wobei der Kanalkontaktbereich (35) und der darin geformte Bereich (41) das Schutzelement (42) darstellen.