DE4315723C2 - MOS-Halbleiterbauelement - Google Patents

MOS-Halbleiterbauelement

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein MOS-Halbleiterbauele­ ment mit einem Halbleiterkörper mit den Merkmalen:
  • a) Mindestens einer Drainzone, mindestens einer Basiszone und mindestens einer in der Basiszone angeordneten Sourcezone,
  • b) mindestens einer über der Drainzone angeordneten Gate­ elektrode, die gegen die Sourcezone und die Drainzone elektrisch isoliert ist,
  • o) einer die sourceseitige Oberfläche des Halbleiterkör­ pers mindestens teilweise bedeckenden Sourceelektrode, die leitend mit der Sourcezone und der Basiszone ver­ bunden und gegen die Gateelektrode elektrisch isoliert ist.
Solche MOS-Halbleiterbauelemente, z. B. MOSFET, sind z. B. in IEEE El. Dev. Lett,. Vol. 9, No. 8, Aug. 88, Seiten 408-419, beschrieben. MOSFETS haben einen unipolaren Leitungsmecha­ nismus, der bis zu einer vorgegebenen Grenze der Feld­ stärke den Strom trägt. Steigt die Spannung im Halbleiter­ körper an, entstehen durch Multiplikation Ladungsträger­ paare. Die entstehenden Minoritätsladungsträger werden durch das elektrische Feld zur Sourceelektrode abgesaugt. Sie fließen dann teilweise lateral unter der Sourcezone entlang. Steigt die Spannung am pn-Übergang zwischen Sour­ cezone und Basiszone auf ca. 0,5 Volt, beginnt die Source­ zone Elektronen zu emittieren. Dies führt zu einem An­ wachsen der Stromdichte und gegebenenfalls zum Einschalten des parasitären, aus Sourcezone, Basiszone und Drainzone bestehenden Bipolartransistors. Mit dem Einschalten des Bipolartransistors erhöht sich die Stromdichte in der Drainzone schlagartig weiter und der MOSFET wird durch "second breakdown" zerstört. Beim IGBT ist der Zerstö­ rungsmechanismus ähnlich; die Stromverstärkung des anoden­ seitigen Bipolartransistors erzeugt zusätzliche Löcher, die zum Einrasten des parasitären Thyristors führen können (Latch up).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein MOS-Halblei­ terbauelement der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Einschalten der parasitären Bipolarstruktur sicher verhindert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale:
  • d) die Sourcezone ist auf der Gateelektrode angeordnet,
  • e) die Sourcezone wird auf der von der Gateelektrode abge­ wandten Seite von der Sourceelektrode kontaktiert,
  • f) an die Sourcezone grenzt seitlich die Basiszone an,
  • g) die Basiszone grenzt seitlich neben der Gateelektrode an die Drainzone an.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein MOS-Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik.
Ein MOSFET nach dem Stand der Technik hat einen Halblei­ terkörper mit einer schwach n-dotierten Drainzone 1. Die Drainzone 1 reicht bis an die sourceseitige Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers. In die Drainzone 1 sind auf der Seite der Oberfläche 2 p-dotierte Basiszonen 20 eingebet­ tet. In die Basiszonen 20 sind stark n-dotierte Sourcezo­ nen 21 eingebettet. Die Drainzone 1 wird an der Oberfläche 2 von Gateelektroden 22 überdeckt, die gegen die Oberfläche 2 durch eine Isolierschicht 23 isoliert sind. Die Gateelektroden 22 überlappen auch die Basiszonen 20 und erstrecken sich bis zu den Sourcezonen 21. Bei Anlegen einer positiven Spannung an die Gateelektrode 22 entsteht in den Basiszonen 20 ein n-leitender Kanal 25, der die Sourcezonen 21 mit der Drainzone 1 verbindet. Auf der Sourceseite sind sowohl die Sourcezonen 21 als auch die Basiszonen 20 von einer Sourceelektrode 6 kontaktiert. Diese ist mit einem Sourceanschluß S verbunden. Auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers grenzt an die Drain­ zone 1 eine stärker n-dotierte Zone 9 an, die mit einem Drainanschluß D verbunden ist. Bei einem IGBT ist die Zone 3 p-dotiert.
Wird an die Anschlüsse S und D eine Spannung angelegt, so fließen bei positiver Gatespannung Elektronen von den Sourcezonen 21 zur Drainzone 1. Mit steigender Feldstärke entstehenden durch Multiplikation Ladungsträgerpaare. Die entstehenden Minoritätsladungsträger werden durch das elektrische Feld zur Sourceelektrode 6 abgesaugt. Erzeugt der unter den Sourcezonen in Querrichtung fließende Lö­ cherstrom am zwischen der Sourcezone 21 und der Basiszone 20 liegenden pn-Übergang eine Spannung von ca. 0,5 Volt, emittieren die Sourcezonen Elektronen und der aus den Sourcezonen 21, den Basiszonen 20 und der Drainzone 1 be­ stehende Bipolartransistor wird eingeschaltet.
Der MOSFET nach Fig. 1 hat wieder eine schwach n-dotierte Drainzone 1 mit einer sourceseitigen Oberfläche 2. Auf der Oberfläche 2 ist eine strukturierte Isolierschicht 3 ange­ ordnet. Auf der Isolierschicht 3 sitzt eine Gateelektrode 4, die von einer weiteren Isolierschicht 13 seitlich und auf der Oberseite bedeckt wird. Auf der Oberseite der Ga­ teelektrode 4 sitzt, durch die Isolierschicht 13 isoliert, eine Sourcezone 14. An die Sourcezone 14 stößt seitlich eine schwach p-dotierte Basiszone 5 an. Die Basiszone 5 überlappt die Gateelektrode und stößt neben der Gateelektrode an die Drainzone 11 an. Alternativ könnte die Sourcezone 14 auch bis an den Rand der Gateelektrode reichen und dort an die Basiszone 5 anstoßen. In diesem Fall überlappt die Basiszone 5 die Gateelektrode 4 nicht. Die Sourcezone 14 ist auf ihrer von der Gateelektrode 4 abgewandten Seite von der Sourceelektrode 6 kontaktiert. Die Basiszone 5 ist ebenfalls elektrisch an die Source­ elektrode 6 angeschlossen. In der Praxis diffundiert aus der Basiszone 5 ein p-dotierter Bereich 8 in die Drainzone 1 ein.
Wird eine Drain-Sourcespannung angelegt und die Gateelek­ trode 4 positiv vorgespannt, so fließen von der Sourcezone 14 Elektronen durch einen Kanal 7, der sich in der Basis­ zone 5, 8 entlang der Oberfläche der die Gateelektrode 4 einhüllenden Isolierschichten 3, 13 ausbildet, zur Drain­ zone 1.
Ab einer gewissen Feldstärke beginnt ein Fächerstrom zur Oberfläche 2 zu fließen. Die Löcher fließen jedoch nunmehr durch die die Basiszone 5 direkt zur Sourceelektrode 6 ab, ohne ihren Weg entlang der Sourcezone 14 zu nehmen. Eine Emission von Elektronen aus der Sourcezone 14 unterbleibt daher und der parasitäre Bipolartransistors wird daher nicht eingeschaltet.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Oberfläche der Drainzone, die Gateelektrode 4 und die Sourcezone 14 im wesentlichen flächenhaft und eben ausgebildet. Das ge­ schilderte Prinzip kann jedoch auch bei einem Trench- MOS-, U-MOS- oder V-MOS-Transistor zur Anwendung kommen.
Das Prinzip des IGBT beruht auf einem bipolaren Leitungs­ mechanismus. Hier werden die aus der p-dotierten Zone 9 stammenden Löcher durch die Sourceelektrode 6 abgesaugt, so daß der katodenseitige Bipolartransistor nicht ein­ schalten kann. Damit bleibt die Stromverstärkung des IGBT unter allen Betriebsbedingungen kleiner als eins, so daß das Einschalten des parasitären Thyristors (Latch up) un­ terbleibt.

Claims (5)

1. MOS-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit den Merkmalen:
  • a) Mindestens einer Drainzone (1), mindestens einer Basis­ zone (5) und mindestens einer in der Basiszone angeord­ neten Sourcezone (14),
  • b) mindestens einer über der Drainzone angeordneten Ga­ teelektrode (4), die gegen die Sourcezone und die Drainzone elektrisch isoliert ist,
  • c) einer die sourceseitige Oberfläche des Halbleiterkör­ pers mindestens teilweise bedeckenden Sourceelektrode (6), die leitend mit der Sourcezone und der Basiszone verbunden und gegen die Gateelektrode elektrisch iso­ liert ist,
gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • d) die Sourcezone (14) ist auf der Gateelektrode (4) ange­ ordnet,
  • e) die Sourcezone wird auf der von der Gateelektrode abge­ wandten Seite von der Sourceelektrode (6) kontaktiert,
  • f) an die Sourcezone grenzt seitlich die Basiszone (5) an,
  • g) die Basiszone grenzt seitlich neben der Gateelektrode (4) an die Drainzone (1) an.
2. MOS-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Drainzone und die Gateelektrode im wesent­ lichen eben ausgebildet ist und daß die Basiszone (5) die Gateelektrode (4) überlappt.
3. MOS-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Drainzone (1) drainseitig eine Zone (9) angrenzt, die den gleichen Leitungstyp wie die Drainzone (1) hat und höher dotiert ist.
4. MOS-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Drainzone (1) anodenseitig eine Zone (9) angrenzt, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Drainzone (1) hat.
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