DE4020478C2 - Mos Halbleitervorrichtung - Google Patents

Mos Halbleitervorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine MOS Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei der MOS Halbleitervorrichtung handelt es sich etwa Hochspannungs ICs, intelligente Leistungsvorrichtungen, MOSFETs oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs).
Es sind verschiedene Arten von MOS Halbleitervorrichtungen verwendet worden, die eine kanalbildende Zone in der Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats und außerdem eine MOS Struktur auf der Oberfläche zur Bildung eines Kanals in dieser kanalbildenden Zone aufweisen, da solche MOS Halbleitervorrichtungen unter Spannungssteuerung arbeiten können und die Auslegung einer Steuerschaltung erleichtern.
Fig. 1 zeigt eine dieser MOS Halbleitervorrichtungen, nämlich einen Lateral-p-Kanal MOSFET. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind im Oberflächenbereich einer n Basisschicht 1 eine Sourcezone 2 und eine Drainzone 3 ausgebildet. Im Kontaktbereich zwischen der Sourcezone 2 und einer Sourceelektrode 11 ist eine p+ Zone 21 mit hoher Störstellenkonzentration ausgebildet. Eine weitere p+ Zone 31 mit hoher Störstellenkonzentration befindet sich im Kontaktbereich zwischen der Drainzone 3 und einer Drainelektrode 12. Der kanalbildende Bereich dieses MOSFETs ist der Bereich 4 zwischen der p Sourcezone 2 und der p Drainzone 3 in der Oberflächenschicht der n Basisschicht 1. Oberhalb des Bereichs 4 befindet sich auf einer Gateoxidschicht 5 eine Gateelek­ trode 6. Ein Teil der Gateoxidschicht 5, nämlich der der Drainelektrode 12 zugewandte, geht in eine dicke Feldoxidschicht 7 über, die dazu dient, das Halbleitersubstrat von der Gateelektrode 6 zu isolieren, die sich über diese Feldoxidschicht ausdehnt und als Feldplatte dient. Eine Isolier­ schicht 13 aus PSG oder anderen Komponenten bedeckt die Gateelektrode 6, um sie von der Sourceelektrode 11 und der Drainelektrode 12 zu isolieren. Es ist bekannt, daß, wenn der im Bereich 4 durch Änderung der p+ Zone 31 in eine n+ Zone gebildete p Kanal entsteht, dieser MOSFET zu einem Lateral-IGBT wird, der das Ausmaß der Leitung moduliert, wenn Löcher von der Sourcezone 2 zur Drainzone 3 geschickt werden, und einen großen Stromfluß erlaubt.
Fig. 2 zeigt einen Lateral-n-Kanal MOSFET, dessen Leitungstyp gegenüber dem des MOSFETs von Fig. 1 umgekehrt ist. In Fig. 2 dienen dieselben Bezugszahlen zur Bezeichnung entsprechen­ der Teile wie in Fig. 1. In diesem Fall umfaßt die Sourcezone nur die n+ Zone 21, jedoch keine n Zone. Die Sourceelektrode 11 ist über eine p+ Zone 14 mit der p-Basisschicht 1 kurz geschlos­ sen. Dieser n-Kanal MOSFET kann auch in einen Lateral-n-Kanal IGBT geändert werden, indem man die n+ Zone 31 zur einer p+ Zone macht.
Fig. 3 zeigt einen Vertikal-n-Kanal MOSFET unter Verwendung der gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 2. Dieser Vertikal-n-Kanal MOSFET kann zu einem Vertikal-n-IGBT gemacht werden, indem die n+ Zone 31 zu einer p+ Zone geändert wird.
Die oben beschriebenen MOS Halbleitervorrichtungen leiden daran, daß sie nicht in der Lage sind, eine Hochspannung zu blockieren. Der Grund dafür ist, daß, wenn Hochspannung im Abschaltzustand über Drainelektrode 12 und Sourceelektrode 11 angelegt wird, eine Feldkonzen­ tration an der Drainzone 3 unmittelbar unterhalb des Niveausprungs 8 zwischen der Gateoxid­ schicht 5 und der Feldoxidschicht 7 unter der Gateelektrode 6 auftritt.
Aus der Druckschrift IEEE Transactions an Electron Devices, Band ED-33, Nr. 12, Dezember 1986, Seiten 1948-1952, sind verschiedene Hochspanungs-Transistorstrukturen, nämlich ein Lateral-DMOS, ein Lateral-IGT und ein IBT, bekannt, die alle den voranstehend erläuterten Niveausprung in der Gateelektrode von einer relativ dünnen Gateoxidschicht zu einer relativ dicken Feldoxidschicht aufweisen. Über das Verhältnis der Dicken von Gateoxidschicht und Feldoxidschicht sagt die Druckschrift nichts aus. Aus der Druckschrift IEDM, 1987, Seiten 778- 781 ist ebenfalls ein Lateral-IGT bekannt, der den beschriebenen Niveausprung ausweist. Auch diese Druckschrift sagt über das Verhältnis der Dicken von Gateoxidschicht und Feldoxidschicht nichts aus, abgesehen davon, daß letzere selbstverständlich dicker als erstere ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine MOS Halbleitervorrichtung der angegebenen Art zu schaffen, die in der Lage ist, im Ausschaltzustand einer hohen Sperrspannung standzuhalten, indem eine Feldkonzentration, die von dem Niveausprung zwischen den Isolierschichten unter der Gateelek­ trode herrührt, verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine MOS Halbleitervorrichtung gemäß Patentan­ spruch 1 bzw. Patentanspruch 2 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Lateral-p-Kanal MOSFETs,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Lateral-n-Kanal MOSFETs,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Vertikal-n-Kanal MOSFETs,
Fig. 4 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Durchbruchspannung und des Verhältnisses der Dicke der Feldoxidschicht zur Dicke der Gateoxidschicht,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Lateral-p-Kanal MOSFETs, wobei (a) eine Draufsicht und (b) eine Schnittansicht längs der Linie A-A sind,
Fig. 6 und 7 Draufsichten auf zwei Varianten der Ausführungsform von Fig. 5 und
Fig. 8 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung bei einem n-Kanal MOSFET.
Fig. 4 illustriert als Beispiel die Änderung der Durchbruchsspannung über der Basisschicht 1 und der Drainzone 3 des Lateral-n-Kanal MOSFETs, der in Fig. 2 gezeigt ist, im Verhältnis zur Änderung des Verhältnisses der Dicke der Feldoxidschicht 7 zur Dicke der Gateoxidschicht 5. Im Bereich A, wo dieses Dickenverhältnis 12 oder mehr beträgt, fällt die Durchbruchspannung ab, wenn die Feldoxidschicht 7 dicker wird. Dies beruht auf der Feldkonzentration innerhalb der Drainzone 3 unmittelbar unterhalb des Niveausprungs 8 zwischen den Schichten. Im Bereich C, wo das Dickenverhältnis 3 oder weniger beträgt, ist die Durchbruchsspannung sehr niedrig. Dies beruht auf der Feldkonzentration innerhalb der Drainzone 3 unmittelbar unterhalb des Drainendes 7' der Gateelektrode 6. Diese Feldkonzentration läßt sich demnach dadurch vermeiden, daß man das Dickenverhältnis von Feldisolierschicht zu Gateisolierschicht im Bereich von 3 bis 12 hält.
Wenn eine Hochspannung über der ersten Zone und der zweiten Zone des zweiten Leitungstyps der MOS Halbleitervorrichtung im Ausschaltzustand angelegt wird, verursacht die Potentialdiffe­ renz zwischen der Gateelektrode und der zweiten Zone eine Inversionsschicht an der Oberfläche der zweiten Zone gegenüber der Gateelektrode, die auf der dünnen Gateisolierschicht auf der zweiten Zone angeordnet ist. Diese Inversionsschicht verursacht, daß sich eine Feldrelaxations­ schicht, die unterhalb des Niveausprungs zwischen der Gateisolierschicht und der Feldisolier­ schicht erzeugt wird, auf der Potentialdifferenz befindet, die derjenigen der Zone des ersten Leitungstyps, die die kanalbildenden Zone einschließt, gleicht. Daher wird die Feldkonzentration unterhalb des Niveausprungs zwischen den Isolierschichten, die auf der Potentialdifferenz zwischen der Zone des ersten Leitungstyps und der zweiten Zone des zweiten Leitungstyps beruht, gemindert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein MOSFET, wie er in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, mit einer Gateoxidschicht 5 einer Dicke von 50 nm und einer Feldoxidschicht 7 mit einer Dicke von 150 bis 600 µm. Bei dem Lateral-n-Kanal MOSFET, der in Fig. 2 gezeigt ist, beträgt die Durchbruchsspannung zwischen der Basisschicht 1 und der Drainzone 3 134 V bei einer Dicke der Feldoxidschicht 7 von 250 µm. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, bedeutet dies eine merkliche Verbesserung gegenüber der Durchbruchsspannung von 123 V bei einer Dicke der Feldoxid­ schicht 7 von 1000 µm. Bei dem Vertikal-n-Kanal MOSFET, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, beträgt die Durchbruchsspannung 275 V bei einer Dicke der Feldoxidschicht 7 von 500 µm, verglichen mit 255 V bei einer Dicke der Feldoxidschicht 7 von 1000 µm.
Die Fig. 5(a) und (b) illustrieren als zweite Ausführungsform der Erfindung eine beispielhafte Ausführungsform des Lateral-p-Kanal MOSFETs. Fig. 5(a) ist eine Draufsicht und Fig. 5(b) eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 5(a). In Fig. 5 werden die gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung von Teilen verwendet, die solchen in Fig. 1 entsprechen. Die Feldoxidschicht 7 weist Öffnungen 71 und 72 auf, die durch ausgezogene Linien dargestellt sind. Die Öffnung 71 enthält die Gateoxidschicht 5. In einer Öffnung 140 der Isolierschicht 13 ist die Sourceelektrode 11 mit der p+ Zone 21 kontaktiert. In der Öffnung 72 befindet sich die Drainelektrode 12 in Kontakt mit der p+ Zone 31 in der Öffnung 15 der Isolierschicht 13. Die Feldrelaxationszone gemäß der Erfindung ist die n Zone 9, die in Fig. 5(a) strichpunktiert dargestellt ist. Sie wird unmittelbar unterhalb des Niveausprungs 8 zwischen der Gateoxidschicht 5 und der Feldoxid­ schicht 7 ausgebildet. Ein solcher MOSFET wird dadurch hergestellt, daß zuerst die Oberfläche des n- Siliciumsubstrats mit einer Oxidschichtmaske für die Ausbildung der p+ Zonen 21 und 31 bedeckt wird. Dann wird durch Ionenimplantation mit einer Dosis von 1 × 1012 bis 5 × 1012 cm-3 die n Zone 9 ausgebildet. Dann wird der unerwünschte Teil der dicken Oxidschicht zur Ausbil­ dung der dünnen Gateoxidschicht entfernt und darauf polykristallines Silicium aufgeschichtet und die Form der Gateelektrode 6 gebracht. Schließlich wird die Feldoxidschicht 7 zur Ausbildung der p+ Kontaktzonen 21 und 31 maskiert. Bei diesem Aufbau mit einem spezifischen Widerstand der Basisschicht von 3 Ωcm betrug die Sperrspannung 140 V, verglichen mit der herkömmlichen Sperrspannung von 60 V, wobei der Einschaltwiderstand genauso groß wie im herkömmlichen Fall war.
Die Fig. 6 und 7 sind Draufsichten anderer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung hinsichtlich der Feldrelaxationszone 9. In beiden Figuren erstreckt sich die n Zone 9 aus dem Bereich der Drainzone 3 bis zum Kontakt mit der Basisschicht 1 heraus. Daher hat die Feldrela­ xationszone 9, die in Fig. 5 schwimmend dargestellt ist, dasselbe elektrische Potential wie die Basisschicht 1 und führt zu ähnlichen Wirkungen.
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Vertikal-n-Kanal MOSFETs, wobei gleiche Teile wie in Fig. 3 mit denselben Bezugszahlen wie dort gezeichnet sind. In diesem Fall ist die Feldrelaxationszone 9 eine p+ Zone, die durch Störstellendiffusion ausgebildet wird. Diese Störstellendiffusion erfolgt gleichzeitig mit der Ausbildung der p+ Basiszone 14 hoher Konzentra­ tion, wobei die mittlere Konzentration 1 × 1018 cm-3 beträgt. Diese p+ Zone wird zuerst ausge­ bildet. Dann werden die Gateoxidschicht 5 und die Gateelektrode 6 hergestellt. Schließlich wird eine Diffusion zur Herstellung der p- Basiszone 1 und der n+ Zonen 21 und 31 ausgeführt.
Nach den gleichen Verfahren, wie sie gemäß Beschreibung zur Herstellung des Lateral- und des Vertikal-MOSFETs verwendet werden, können Lateral- und Vertikal-IGBTs mit unterschiedlichem Leitungstyp für die Zone 31 hergestellt werden. Das gleiche Verfahren kann für eine MOS Halbleitervorrichtung des normal eingeschalteten Typs verwendet werden, wo die Sourcezone über eine Zone gleichen Leitungstyps wie Source- und Drainzone mit der Drainzone verbunden ist. Diese Zone gleichen Leitungstyps wird an der Oberfläche der Basisschicht 1 unmittelbar unterhalb der Gateoxidschicht 5 zwischen der Sourcezone 2 oder 21 und der Drainzone 3 ausgebildet.
Erfindungsgemäß erhält man eine MOS Halbleitervorrichtung mit einer hohen Sperrspannungs­ festigkeit während des Ausschaltzustands, da die Feldkonzentration unmittelbar unterhalb des Niveausprungs zwischen der Gateisolierschicht und der Feldisolierschicht entweder durch Einstellung des Verhältnisses der Dicke der Feldisolierschicht zur Dicke der dünnen Gateisolier­ schicht auf einen Wert von 3 bis 12 oder durch Ausbilden einer Zone unterschiedlichen Leitungs­ typs an der Oberfläche der Zone, die unmittelbar unterhalb des Niveausprungs zwischen der Gateisolierschicht und der Feldisolierschicht liegt, vermindert wird.

Claims (2)

1. MOS Halbleitervorrichtung mit einer kanalbildenden Zone (4) an der Oberflächenschicht einer dritten Zone (1) eines ersten Leitungstyps zwischen einer ersten und einer zweiten Zone (2, 3) des zweiten Leitungstyps, die gesondert mit Elektroden (11, 12) an der Oberfläche des Halbleiter­ substrats verbunden sind, wobei sich über einer dünnen Gateisolierschicht (5) eine Gateelektrode (6) auf der ka­ nalbildenden Zone befindet und eine dicke Feldisolier­ schicht (7) mit der Gateisolierschicht zur Isolation zwi­ schen der Gateelektrode und dem Halbleitersubstrat verbun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Feldisolierschicht (7) 3 bis 12 mal größer als die der Gateisolierschicht (5) ist.
2. MOS Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Feldrelaxationszone (9) des ersten Leitungstyps an der Oberfläche der zweiten Zone (3) des zweiten Lei­ tungstyps unmittelbar unterhalb des Niveausprungs (8) zwi­ schen der Gateisolierschicht (5) und der Feldisolierschicht (7) ausgebildet ist.
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