DE10021643A1 - Halbleiter-Bauelement - Google Patents

Halbleiter-Bauelement

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DE10021643A1
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Akio Kitamura
Masaru Saito
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Abstract

Ein Halbleiter-Bauelement mit MIS-Aufbau umfaßt ein Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstyps, eine Basiszone (2) des ersten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, eine leicht dotierte Offsetzone (3) eines zweiten Leitungstyps, die selektiv in dem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, eine stark dotierte Sourcezone (5) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Basiszone (2) ausgebildet ist, eine stark dotierte Drainzone (6) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Offsetzone (3) ausgebildet ist, einen Gateisolierfilm (7) wenigstens auf dem Abschnitt der Basiszone (2), der sich zwischen der Sourcezone (5) und der Offsetzone (3) erstreckt, eine Gateelektrode (9) auf dem Gateisolierfilm (7), eine Sourceelektrode (11) auf der Sourcezone (5), eine Drainelektrode (12) auf der Drainzone (6), einen Feldisolierfilm (8), der selektiv auf der Offsetzone (3) ausgebildet ist, und einen spiralförmigen Dünnfilm (10) auf dem Feldisolierfilm (8), dessen eines Ende mit der Drainelektrode (12) und dessen anderes Ende mit der Sourceelektrode (11) verbunden ist, wobei der Dünnfilm (10) aus mehreren in Reihe geschalteten pn-Dioden gebildet ist und die Drainelektrode (12) umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft MIS-Halbleiter-Bauelemente (Bauelemente mit isoliertem Gate), wie etwa laterale Leistungs-MOSFETs, deren Hauptstromweg in Lateralrichtung verläuft. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau solch eines Bauelements, der es ermöglicht, die Durchbruchsspannung des Bauelements zu stabilisieren und seinen Durchlaßwiderstand zu senken.
Sogenannte laterale Leistungs-MOSFETs, deren Hauptstromweg in ihrer lateralen Richtung verläuft, werden durch Planardiffusion von der Oberfläche eines Halbleitersubstrats hergestellt. Ein lateraler Leistungs-MOSFET zeichnet sich dadurch aus, daß bei ihm eine sogenannte RESURF- Technik (Technik mit reduziertem elektrischen Oberflächenfeld) oder eine ähnliche Technik verwendet wird, um die Verarmungsschicht, die von einer Sperrvorspannung zwischen Source und Drain eines solchen MOSFETs verursacht wird, in dessen Lateralrichtung auszudehnen, so daß eine bestimmte Durchbruchsspannung sichergestellt werden kann. Da der laterale Leistungs- MOSFET in einem typischen IC-Prozeß hergestellt wird, sind monolithische Leistungs-ICs, bei denen eine Steuerschaltung und ein lateraler Leistungs-MOSFET integriert sind, auf den Markt gekommen.
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt eines solchen lateralen Leistungs-MOSFETs, und zwar eines n- Kanal-MOSFETs, wie er in der Druckschrift US 4,811,075 offenbart ist und nachfolgend als "MOSFET I" angesprochen wird.
Wie in Fig. 19 gezeigt, enthält der MOSFET I ein p-Substrat 101 mit hohem spezifischen Widerstand von etwa 125 Ω.cm; eine n-Offsetzone 103 im Oberflächenbereich des Substrats 101, eine p-Basiszone 102 im Oberflächenbereich des Substrats 101, die in ihrem Oberflächen­ bereich eine n+-Sourcezone 105 enthält und in dem Bereich, der sich zwischen der Sourcezone 105 und der Offsetzone 103 erstreckt, einen Kanalabschnitt aufweist; eine p-Offsetzone 104 im Oberflächenbereich der Offsetzone 103, deren, der Offsetzone 104, Potential auf das Source­ potential festgelegt ist; eine n+-Drainzone 106 im Oberflächenbereich der Offsetzone 103 die, die Drainzone 106, von der Sourcezone 105 um etwa 80 µm beabstandet ist; einen Feldoxidfilm 108 auf der Offsetzone 104; einen Gateoxidfilm 107 auf dem Kanalabschnitt der Basiszone 102; eine Gateelektrode 109 auf dem Gateoxidfilm 107; eine Sourceelektrode 111 auf der Sourcezone 105; eine Drainelektrode 112 auf der Drainzone 106; einen Zwischenschichtfilm 113; und einen Schutzfilm 114. Die Offsetzone 103 ist in Richtung auf die Sourcezone 105 verlängert. Eine p+- Zone ist auf der Basiszone 102 zur Sicherstellung eines ohmschen Kontakts für die Basiszone 102 angeordnet.
Wenn eine Sperrspannung zwischen Sourceelektrode 111 und Drainelektrode 112 angelegt wird, dehnen sich eine Verarmungsschicht von dem pn-Zonenübergang zwischen dem Substrat 101 und der Offsetzone 103 sowie eine Verarmungsschicht von dem pn-Zonenübergang zwischen der Offsetzone 103 und der Offsetzone 104 aus. Der MOSFET I ist so ausgebildet, daß sich diese beiden Verarmungsschichten in gut ausgewogener Weise ausdehnen und sich miteinander verbinden, um das elektrische Feld zu entspannen und dadurch eine hohe Durchbruchsspannung zu gewährleisten. Die Äquipotentiallinien bei angelegten 750 V sind in Fig. 19 in Stufen von 150 V dargestellt.
Normalerweise sind tatsächliche laterale Leistungs-MOSFET-Produkte in einem Kunststoffgehäuse untergebracht. Ionische bzw. geladene Partikel (Ionen 115 oder elektrische Ladungen) in dem Kunststoffgehäuse eines solchen MOSFETs verursachen die nachfolgend beschriebenen uner­ wünschten Erscheinungen.
Wenn eine hohe Spannung, insbesondere bei hoher Temperatur, zwischen Source und Drain des in einem Kunststoffgehäuse untergebrachten MOSFETs angelegt wird, werden positive Ionen 115a und positive elektrische Ladungen in dem Kunststoffgehäuse zur Sourceelektrode 111 hingezogen, während negative Ionen 115b und negative elektrische Ladungen in dem Kunststoff­ gehäuse zur Drainelektrode 112 hingezogen werden. Als Folge davon bilden der Schutzfilm 114, der Zwischenschichtfilm 113 und der Feldoxidfilm 108 in dem Abschnitt, zu dem positive Ionen 115a und positive elektrische Ladungen gezogen werden, einen Kondensator, auf dessen Substratseite negative elektrische Ladungen 115c induziert werden, wie in Fig. 20 dargestellt. Die induzierten negativen elektrischen Ladungen 115c verändern den Leitungstyp eines Teiles der Offsetzone 104 von p-leitend zu n-leitend. In dem Abschnitt, auf den die negativen Ionen 115b und die negativen elektrischen Ladungen gezogen werden, werden positive elektrische Ladungen 115d induziert, wie ebenfalls in Fig. 20 gezeigt. Die induzierten positiven elektrischen Ladungen 115d machen einen Teil der p-Offsetzone 104 dicker. Daher verformt sich die ursprüngliche p- Offsetzone 104 zu einer p-Offsetzone 104a. die Verformung der Offsetzone 104 verursacht ein Ungleichgewicht zwischen den sich ausdehnenden Verarmungsschichten, ein lokal starkes elektrisches Feld sowie eine Verringerung der Durchbruchsspannung zwischen Source und Drain.
Bei dem MOSFET I von Fig. 19 ist der Hauptstromweg zwischen Source und Drain im Einschalt­ zustand die n-Offsetzone 103. Da jedoch die p-Offsetzone 104 im Oberflächenbereich der n- Offsetzone 103 ausgebildet ist, um eine Verarmung bei Anliegen einer Sperrvorspannung zu unterstützen, wird der Hauptstromweg leicht abgeschnürt (JFET-Effekt), wenn die Drainspannung steigt, wodurch der Durchlaßwiderstand zunimmt.
Fig. 21 zeigt eine Querschnittsansicht eines zweiten herkömmlichen lateralen Leistungs-MOSFETs (MOSFET II) mit eingezeichneten Äquipotentiallinien. Der MOSFET II hat einen Aufbau, der sich von dem MOSFET I in Fig. 19 dadurch unterscheidet, daß die p-Offsetzone 104 weggelassen ist. Da bei dem MOSFET II keine p-Offsetzone vorhanden ist, wird der Hauptstromweg schwerlich abgeschnürt und sein Durchlaßwiderstand auf einem niedrigen Wert gehalten. Da jedoch ein pn- Zonenübergang lediglich zwischen dem p-Substrat und der n-Offsetzone gebildet wird, verarmt die n-Offsetzone bei Anlegen einer Sperrvorspannung nicht leicht. Die Durchbruchsspannung des MOSFET II liegt bei etwa 450 V und ist niedriger als diejenige des MOSFET I.
Die oben erläuterten Probleme der herkömmlichen lateralen Leistungs-MOSFETs lassen sich wie folgt zu zwei Problemen zusammenfassen.
Erstes Problem
Wenn bei hoher Temperatur eine hohe Spannung zwischen Source und Drain des MOSFET I, der an einem Kunststoffgehäuse untergebracht ist, angelegt wird, werden Ionen und elektrische Ladungen in dem Kunststoffgehäuse zur Sourceelektrode und zur Drainelektrode gezogen und dort konzentriert. Die konzentrierten Ionen und elektrischen Ladungen induzieren elektrische Ladungen jeweils entgegengesetzter Polarität an der Substratseite des Kondensators, der von dem Schutzfilm und dergleichen Elementen gebildet wird. Die induzierten elektrischen Ladungen verformen die p-Offsetzone und bewirken ein Ungleichgewicht der Verarmung sowie eine Senkung der Durchbruchsspannung zwischen Source und Drain.
Zweites Problem
Da bei dem MOSFET I der Hauptstromweg im Einschaltzustand die n-Offsetzone zwischen dem p- Substrat und der p-Offsetzone ist, wird dieser Hauptstromweg bei zunehmender Drainspannung leicht abgeschnürt und der Durchlaßwiderstand erhöht. Beim MOSFET II, bei dem die p-Offset­ zone des MOSFETs I entfallen ist, wird die n-Offsetzone bei angelegter Sperrvorspannung schwer verarmt und eine Senkung der Durchbruchsspannung verursacht.
Angesichts dieses Standes der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mit geringen Herstellungskosten herstellbares Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem die oben beschriebenen Probleme beseitigt sind und eine Verringerung der Durchbruchsspannung verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiter-Bauelement gemäß den Patentansprü­ chen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Der spiralförmige Dünnfilm aus Polysilicium (Spiraldünnfilm) auf der Feldplatte zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode kann aus vielen in Reihe geschalteten pn-Dioden, einem Dünnfilm mit einem hohen spezifischen Widerstand von mehr als etlichen MΩ oder mehreren pn- Dioden und einem Dünnfilm mit hohem spezifischen Widerstand gebildet werden. Das Halbleiter- Bauelement kann einen oder mehrere dieser Spiraldünnfilme aus Polysilicium enthalten.
Wenn eine Sperrspannung zwischen Source und Drain angelegt wird, fließt ein Sperrsättigungs­ strom der pn-Dioden oder ein Widerstandsstrom durch den Spiraldünnfilm, als dessen Folge ein nahezu gleichförmiger Potentialgradient über den Dünnfilm erhalten wird.
Bei einem praktischen Bauelement wirkt der auf einer Feldoxidplatte angeordnete Dünnfilm mit einer bestimmten Breite und spiralförmig mit einem bestimmten Abstand zwischen benachbarten Windungen gewickelte Dünnfilm als eine Feldplatte, deren lokales Potential sich mit jeder Windung ändert. Da sich das lokale Potential des Substrats unter einer jeweiligen Position des Spiraldünnfilms zwangsweise dem lokalen Potential des Spiraldünnfilms an der jeweiligen Position infolge des Feldplatteneffekts anschließt, ist der Potentialgradient über die Verarmungsschicht nahezu gleichförmig. Da außerdem der Spiraldünnfilm Abschirmungseffekte gegenüber Störun­ gen, etwa Ionen und elektrischen Ladungen im Kunststoffgehäuse des Halbleiter-Bauelements, aufweist, treten selbst bei Anlegen einer hohen Spannung bei hoher Temperatur kaum Schwan­ kungen der Durchbruchsspannung auf. Somit wird ein sehr zuverlässiges Halbleiter-Bauelement erhalten.
Da der Spiraldünnfilm aus Polysilicium als Feldplatte wirkt, kann die Dotierstoffkonzentration in der p-Offsetzone, die zu einer Erhöhung des Durchlaßwiderstands führt, geringer als die optimale Konzentration sein, bei der ohne Vorsehen des Spiraldünnfilms eine bestimmte Durchbruchsspan­ nung gewährleistet ist. Fig. 22 zeigt mit einer Gruppe von Kurven die Abhängigkeit der Durch­ bruchsspannung und des Durchlaßwiderstands von der p-Dotierstoffkonzentration im Oberflä­ chenabschnitt einer n-Offsetzone, deren n-Dotierstoffkonzentration 3 × 1016 cm3 beträgt. Fig. 23 zeigt eine Gruppe von Kurven, die die Abhängigkeit der Durchbruchsspannung und des Durch­ laßwiderstands von der p-Dotierstoffkonzentration im Oberflächenabschnitt einer n-Offsetzone wiedergeben, deren n-Dotierstoffkonzentration 7 × 1016 cm-3 beträgt. In diesen Figuren stellt Bvdss die Durchbruchsspannung dar, während Ron der Durchlaßwiderstand ist. Bvdss (w/o FP) stellt die Durchbruchsspannung des herkömmlichen Bauelements ohne jeglichen Spiraldünnfilm dar. Bvdss (w FP) stellt die Durchbruchsspannung des Bauelements mit einem Spiraldünnfilm gemäß der Erfindung dar.
Fig. 23 zeigt, daß eine gewünschte Durchbruchsspannung erzielt werden kann, indem p-Dotier­ stoff in den Oberflächenabschnitt der n-Offsetzone in einer Konzentration diffundiert wird, die den Leitungstyp dieses Oberflächenabschnitts nicht zur p-Leitung umkehrt. Wenn die n-Offset­ zone schwächer und flacher dotiert wird (der in Fig. 23 gezeigte Fall), kann eine gewünschte Durchbruchsspannung ohne Vorsehen irgendeiner p-Offsetzone gewährleistet werden.
Anders ausgedrückt, der Spiraldünnfilm aus Polysilicium ermöglicht eine Verringerung der Konzentration der p-Offsetzone, die den Durchlaßwiderstand erhöht, wodurch der Widerstand der p-Offsetzone wesentlich verringert wird und ein Halbleiter-Bauelement mit niedrigem Durchlaß­ widerstand realisiert wird.
Der Sättigungsstrom der pn-Dioden und/oder der durch den Dünnfilmwiderstand fließende Strom, der auftritt, wenn eine Sperrspannung zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode angelegt wird, ermöglicht es, einen nahezu gleichförmigen Potentialgradienten über den auf dem Feldoxidfilm zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode gebildeten Spiraldünnfilm zu erhalten, das lokale Potential des Substrats mit dem lokalen Potential des Spiraldünnfilms gleich zu machen und eine stabile Durchbruchsspannung zu erhalten.
Da außerdem der Spiraldünnfilm Abschirmungseffekte gegenüber Störungen, etwa Ionen und elektrische Ladungen in dem Kunststoffgehäuse des Halbleiter-Bauelements, aufweist, treten kaum Abweichungen der Durchbruchsspannung auf, selbst wenn eine hohe Spannung bei hoher Temperatur angelegt wird. Somit wird ein sehr zuverlässiges Halbleiter-Bauelement erhalten.
Da der Spiraldünnfilm aus Polysilicium als eine Feldplatte wirkt, kann die Dotierstoffkonzentration in der p-Offsetzone, die den Durchlaßwiderstand erhöht, kleiner als die optimale Konzentration sein, bei der eine bestimmte Durchbruchsspannung ohne Vorsehen des Polysiliciumdünnfilms sichergestellt ist.
Da der Widerstand der n-Offsetzone, die den Hauptstromweg des Halbleiter-Bauelements im Einschaltzustand darstellt, wesentlich verringert ist, wird der Durchlaßwiderstand des Halbleiter- Bauelements reduziert. Im einzelnen zeigen die Fig. 22 und 23, daß der Durchlaßwiderstand um etwa 40% verringert werden kann. Da bei gleichen Durchlaßwiderständen die Fläche des Leistungs-MOSFETs um etwa 40% verringert werden kann, können die Kosten des Halbleiter- Bauelements erheblich verringert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich­ nungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 5,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 7,
Fig. 9 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem fünften Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,
Fig. 10 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 9,
Fig. 11 eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einem sechsten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,
Fig. 12 einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. 11,
Fig. 13 bis 18 jeweils eine Querschnittsansicht des ersten, des zweiten, des dritten, des vierten, des fünften bzw. des sechsten Ausführungsbeispiels mit eingezeichneten Äquipotentiallinien über das Halbleiter-Bauelement bei einer zwischen Source und Drain angelegten Sperrspannung von 750 V,
Fig. 19 eine Querschnittsansicht des MOSFETs I im Ausgangszustand mit eingezeichneten Äquipotentiallinien,
Fig. 20 eine Querschnittsansicht des MOSFETs I im Zustand mit geänderter Durchbruchsspan­ nung,
Fig. 21 eine Querschnittsansicht des MOSFETs II mit eingezeichneten Äquipotentiallinien,
Fig. 22 eine Gruppe von Kurven, die die Abhängigkeit der Durchbruchsspannung und des Durchlaßwiderstands von der p-Dotierstoffkonzentration im Oberflächenabschnitt einer n-Offsetzone mit einer n-Dotierstoffkonzentration von 3 × 1016 cm-3 wiedergeben,
Fig. 23 eine Gruppe von Kurven, die die Abhängigkeit der Durchbruchsspannung und des Durchlaßwiderstands von der p-Dotierstoffkonzentration im Oberflächenabschnitt einer n-Offsetzone mit einer n-Dotierstoffkonzentration von 7 × 1016 cm-3 wiedergeben, und
Fig. 24 bis 26 jeweils eine Draufsicht auf einen Spiraldünnfilm eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem siebten, achten bzw. neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Erstes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das Bauelement dieses ersten Ausführungsbeispiels enthält ein p-Substrat 1 mit hohem spezifischen Widerstand von etwa 125 Ω.cm; eine n-Offsetzone 3 im Oberflächenbereich des Substrats 1; eine p-Basiszone 2 im Oberflächenbereich des Substrats 1, die eine n+-Source­ zone 5 in ihrem Oberflächenbereich enthält, wobei die Basiszone 2 in ihrem Abschnitt, der sich zwischen der Sourcezone 5 und der Offsetzone 3 erstreckt, einen Kanalabschnitt aufweist; eine p-Offsetzone 4 im Oberflächenbereich der n-Offsetzone 3, deren, der Offsetzone 4, Potential auf das Sourcepotential fixiert ist; eine n+-Drainzone 6 im Oberflächenbereich der Offsetzone 3, die, die Drainzone 6, von der Sourcezone 5 um etwa 80 µm beabstandet ist; einen Feldoxidfilm 8 auf der Offsetzone 4; einen Gateoxidfilm 7 auf dem Kanalabschnitt der Basiszone 2; eine Gateelek­ trode 9 auf dem Gateoxidfilm 7; eine Sourceelektrode 11 auf der Sourcezone 5; eine Drainelek­ trode 12 auf der Drainzone 6; einen Zwischenschichtfilm 13; und einen Schutzfilm 14. Die n- Offsetzone 3 ist zur Sourcezone 5 hin verlängert. Ionen 15 (oder elektrische Ladungen), die in Fig. 2 gezeigt sind, sind in dem Kunststoffgehäuse des Bauelements enthalten. Eine p+-Zone ist in der Basiszone 2 zur Gewährleistung eines ohmschen Kontakts für die Basiszone 2 angeordnet.
Ein spiralförmiger Dünnfilm 10 (Spiraldünnfilm) aus Polysilicium ist auf dem Feldoxidfilm 8 angeordnet. Das eine Ende des Spiraldünnfilms 10 ist mit der Drainelektrode 12, das andere Ende mit der Sourceelektrode 11 verbunden. Wie aus der vergrößerten Darstellung rechts in Fig. 1 ersichtlich, enthält der Spiraldünnfilm 10 etwa 200 in Reihe geschaltete pn-Dioden 16. Da die Durchbruchsspannung einer pn-Diode 16 etwa 5 V beträgt, ergibt sich die Durchbruchsspannung des Spiraldünnfilms 10 insgesamt zu 5 V × 200 = 1000 V.
Wie in Fig. 2 gezeigt, erscheinen im Querschnitt sechs Windungen des Spiraldünnfilms 10 in einem bestimmten Abstand auf dem Feldoxidfilm 8. Wenn eine Sperrspannung (750 V in diesem Fall) zwischen Source und Drain angelegt wird, wird die Source mit 0 V und die Drain mit 750 V vorgespannt. Eine Spannungsdifferenz von etwa 150 V tritt über einer Windung des Spiraldünn­ films 10 infolge des Spannungsabfalls auf, der von dem Sättigungsstrom der pn-Dioden in dem Spiraldünnfilm 10 zwischen Source und Drain verursacht wird.
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, die Äquipotentiallinien über dem Bauelement des ersten Ausführungsbeispiels für den Fall einer Sperrspannung von 750 V zwischen Source und Drain zeigt. In der Figur stellen die Äquipotentiallinien für die Potentiale 0 V und 750 V (durch dicke Linien dargestellt) zugleich die Verarmungsschichtränder dar.
Bei dem Bauelement des ersten Ausführungsbeispiels mit dem Spiraldünnfilm 10, ist das lokale Potential an einer jeweiligen Stelle auf dem Substrat 1 nahezu gleich demjenigen an der entspre­ chenden Stelle des Spiraldünnfilms 10 oberhalb der Stelle auf dem Substrat, so daß eine stabile Durchbruchsspannung erreicht wird. Außerdem zeigt der Spiraldünnfilm 10 Abschirmungseffekte gegenüber Störungen, etwa Ionen 15 (oder elektrischen Ladungen) in dem Kunststoffgehäuse des Bauelements, weshalb Schwankungen der Durchbruchsspannung auch dann kaum auftreten, wenn eine hohe Spannung bei hoher Temperatur angelegt wird. Auf diese Weise wird ein zuverlässiges Bauelement erhalten.
Zweites Ausführungsbeispiel
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 14 erläutert. Das Bauelement des zweiten Ausführungsbeispiels enthält ein p- Substrat 1 hohen spezifischen Widerstands von etwa 125 Ω.cm; eine n-Offsetzone 23 im Oberflächenbereich des Substrats 1; eine p-Basiszone 22 im Oberflächenbereich der Offsetzone 23, die, die Basiszone 22, in ihrem Oberflächenbereich eine n+-Sourcezone 25 und in dem Abschnitt, der sich zwischen der Sourcezone 25 und der Offsetzone 23 erstreckt, einen Kanalabschnitt enthält; eine n+-Drainzone 6 im Oberflächenbereich der Offsetzone 23, die, die Drainzone 6, von der Sourcezone 25 um etwa 80 µm beabstandet ist; eine p-Offsetzone 24 auf der n-Offsetzone 23 zwischen der Sourcezone 25 und der Drainzone 6 deren, der Offsetzone 24, Potential auf das Sourcepotential fixiert ist; einen Feldoxidfilm 8 auf der Offsetzone 24; einen Gateoxidfilm 27 auf dem Kanalabschnitt der Basiszone 22; eine Gateelektrode 29 auf dem Gateoxidfilm 27; eine Sourceelektrode 31 auf der Sourcezone 25; eine Drainelektrode 12 auf der Drainzone 6; einen Zwischenschichtfilm 13; und einen Schutzfilm 14. Ionen 15 (oder elektrische Ladungen), die in Fig. 4 gezeigt sind, sind in dem Kunststoffgehäuse des Bauelements vorhan­ den. Eine p+-Zone ist in der Basiszone 22 zur Sicherstellung eines ohmschen Kontakts für die Basiszone angeordnet.
Ein spiralförmiger Dünnfilm 10 aus Polysilicium (Spiraldünnfilm) ist auf dem Feldoxidfilm 8 angeordnet. Ein Ende des Spiraldünnfilms 10 ist mit der Drainelektrode 12, das andere Ende mit der Sourceelektrode 31 verbunden. Wie in der vergrößerten Darstellung rechts in Fig. 3 gezeigt, enthält der Spiraldünnfilm 10 etwa 200 in Reihe geschaltete pn-Dioden. Da die Durchbruchs­ spannung einer pn-Diode 16 etwa 5 V beträgt, ist die Durchbruchsspannung des Spiraldünnfilms 10 insgesamt 5 V × 200 = 1000 V.
Wie in Fig. 4 gezeigt, erscheinen bei einigen Querschnitten sechs Windungen des Spiraldünnfilms 10 in einem bestimmten Abstand auf dem Feldoxidfilm 8. Wenn eine Sperrspannung (750 V in diesem Fall) zwischen Source und Drain angelegt wird, liegt die Source auf 0 V und die Drain auf 750 V. Eine Spannungsdifferenz von etwa 150 V tritt über einer Windung des Spiraldünnfilms 10 infolge des Spannungsabfalls auf, der durch den Sättigungsstrom der pn-Dioden in dem Spiral­ dünnfilm 10 zwischen Source und Drain verursacht wird.
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht, die Äquipotentiallinien über dem Bauelement des zweiten Ausführungsbeispiels für den Fall einer Sperrspannung von 750 V zwischen Source und Drain zeigt. In der Figur stellen die Äquipotentiallinien für die Potentiale 0 V und 750 V (durch dicke Linien dargestellt) zugleich die Verarmungsschichtränder dar.
Da mit dem zweiten Ausführungsbeispiel dieselben Vorteile erzielt werden wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel, wird zur Vermeidung von Wiederholungen diesbezüglich auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 5, 6 und 15 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß die p-Offsetzone 4 weggelassen ist. Da eine bestimmte Durchbruchsspannung ohne Vorhandensein der p-Offsetzone 4 gewährleistet werden kann, wenn die n-Offsetzone 3 schwach und flach dotiert ist, wie aus Fig. 23 hervor­ geht, ergibt sich die in Fig. 15 gezeigte Potentialverteilung. Das Bauelement des dritten Ausfüh­ rungsbeispiels erreicht eine stabile und zuverlässige Durchbruchsspannung und eine Verringerung des Durchlaßwiderstands. Unter den Bedingungen für keine p-Offsetzone in Fig. 23 kann der Durchlaßwiderstand um 40% verringert werden verglichen mit den herkömmlichen Vorausset­ zungen für das Vorsehen der p-Offsetzone (die Bedingungen für einen normierten Durchlaßwider­ stand Ron von 1).
Viertes Ausführungsbeispiel
Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 7, 8 und 16 dargestellt, wobei Fig. 16 die Potentialverteilung zeigt. Die obigen Ausführungen zum dritten Ausführungsbeispiel treffen voll und ganz auf das vierte Ausführungsbeispiel mit der einzigen Ausnahme zu, daß sich das vierte Ausführungsbeispiel nicht vom ersten, sondern vom zweiten Ausführungsbeispiel durch das Entfallen der p-Offsetzone 24 unterscheidet.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 9, 10 und 17 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Bauelement des fünften Ausführungsbeispiels enthält eine gegendotierte Zone 44, die durch Gegendotieren von p-Dotierstoff im Oberflächenabschnitt der n-Offsetzone 3 in Fig. 6 in einem solchen Ausmaß ausgebildet wird, daß der Leitungstyp der gegendotierten Zone nicht zur p-Leitung umgekehrt wird. Eine bestimmte Durchbruchsspannung wird durch das Vorsehen der gegendotierten Zone 44 selbst dann sichergestellt, wenn die n-Offsetzone 3 stark und tief dotiert ist, wie sich aus Fig. 22 ergibt, wobei sich die Potentialverteilung von Fig. 17 einstellt. Das Bauelement des fünften Ausführungsbeispiels ermöglicht den Erhalt einer stabilen und zuverlässigen Durchbruchsspan­ nung sowie die Verringerung des Durchlaßwiderstands. Wenn die p-Dotierstoffkonzentration im Oberflächenbereich der n-Offsetzone, d. h. die p-Dotierstoffkonzentration in der gegendotierten Zone 44 3 × 1016 cm-3 beträgt, wird der Durchlaßwiderstand um 35% verringert, verglichen mit dem Fall, wo die p-Dotierstoffkonzentration in der p-Offsetzone 44 × 1016 cm-3 beträgt, was einem Wert des normierten Durchlaßwiderstands Ron von 1 entspricht.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 11, 12 und 18 zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 18 die Potential­ verteilung zeigt. Alle Ausführungen zum fünften Ausführungsbeispiel treffen in gleicher Weise auf das sechste Ausführungsbeispiel mit der einzigen Ausnahme zu, daß beim sechsten Ausfüh­ rungsbeispiel eine gegendotierte Zone 64 durch Gegendotierung von p-Störstellen im Oberflä­ chenbereich der n-Offsetzone 23 in Fig. 8 in einem solchen Ausmaß ausgebildet ist, daß der Leitungstyp des gegendotierten Oberflächenbereichs sich nicht zur p-Leitung umkehrt.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf einen Spiraldünnfilm eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Spiraldünnfilm 70 dieses Ausführungsbeispiels enthält eine Kette von pn-Dioden 73 und einen Widerstand 74. Ein Ende der Diodenkette ist mit einer Sourceelektrode 11 verbunden, während ihr anderes Ende mit einer Drainelektrode 12 verbunden ist. Der Widerstand 74 zweigt von einem Mittelpunkt der Diodenkette ab. Der Widerstand 74 ist aus der n-Schicht der Kette von pn-Dioden 73 gebildet. Das Bauelement des siebten Ausführungsbeispiels zeigt die gleichen Wirkungen wie diejenigen des ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels.
Achtes Ausführungsbeispiel
Fig. 25 ist eine Draufsicht auf einen Spiraldünnfilm eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält ein Spiraldünn­ film 80 mehrere Ketten von pn-Dioden. In Fig. 25 sind zwei Diodenketten 81 und 82 dargestellt. Das Bauelement dieses achten Ausführungsbeispiels zeigt die gleichen Wirkungen wie diejenigen des ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels.
Neuntes Ausführungsbeispiel
Fig. 26 ist eine Draufsicht auf einen Spiraldünnfilm eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spiraldünnfilm 90 anstelle einer Spiralkette von pn-Dioden aus einem Dünnfilm mit hohem spezifischen Wider­ stand gebildet. Das Bauelement dieses neunten Ausführungsbeispiels zeigt die gleichen Wirkun­ gen wie diejenigen des ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels.
Wie voranstehend beschrieben, ermöglicht der Sättigungsstrom der pn-Dioden und/oder der durch den Widerstand fließende Strom, der auftritt, wenn eine Sperrspannung zwischen der Sourceelek­ trode und der Drainelektrode angelegt wird, das ein nahezu gleichförmiger Potentialgradient in dem auf dem Feldoxidfilm zwischen Sourceelektrode und Drainelektrode gebildeten Spiraldünn­ film auftritt, was das lokale Potential auf dem Substrat gleich dem lokalen Potential auf dem Spiraldünnfilm macht und zu einer stabilen Durchbruchsspannung führt.
Da der Spiraldünnfilm darüber hinaus Abschirmungswirkungen gegenüber Störungen, wie Ionen und elektrischen Ladungen in dem Kunststoffgehäuse des Bauelements, hat, treten selbst dann Schwankungen der Durchbruchsspannung kaum auf, wenn eine hohe Spannung bei hoher Temperatur angelegt wird.
Da der Spiraldünnfilm aus Polysilicium als eine Feldplatte wirkt, kann die Dotierstoffkonzentration in der p-Offsetzone, die den Durchlaßwiderstand erhöht, niedriger als die optimale Konzentration sein, bei der eine bestimmte Durchbruchsspannung ohne Vorsehen des Spiraldünnfilms gewähr­ leistet ist. Da der Widerstand der n-Offsetzone, die den Hauptstromweg im Einschaltzustand des Bauelements bietet, wesentlich verringert ist, wird der Durchlaßwiderstand des Bauelements reduziert. Wie im einzelnen aus den Fig. 22 und 23 hervorgeht, kann der Durchlaßwiderstand um etwa 40% reduziert werden. Da die Fläche des Leistungs-MOSFETs bei gleichen Durchlaß­ widerstandswerten um etwa 40% verringert werden kann, können die Kosten des Bauelements deutlich verringert werden.
Die Drainelektrode braucht nicht notwendigerweise als Ellipsoid ausgebildet zu sein. Beispiels­ weise könnte die Drainelektrode in der Form eines Handballens mit Fingern dieselben Wirkungen erzielen.
Ein Halbleiter-Bauelement gemäß der Erfindung ist anwendbar auf einen monolithischen Leistungs-IC, bei dem ein Leistungs-MOSFET und eine Steuerschaltung integriert sind.

Claims (13)

1. Halbleiter-Bauelement mit MIS-Aufbau, umfassend:
ein Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstyps,
eine Basiszone (2) des ersten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist,
eine leicht dotierte Offsetzone (3) eines zweiten Leitungstyps, die selektiv in dem Ober­ flächenbereich des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist,
eine stark dotierte Sourcezone (5) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflä­ chenbereich der Basiszone (2) ausgebildet ist,
eine stark dotierte Drainzone (6) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächen­ bereich der Offsetzone (3) ausgebildet ist,
einen Gateisolierfilm (7) wenigstens auf dem Abschnitt der Basiszone (2) der sich zwi­ schen der Sourcezone (5) und der Offsetzone (3) erstreckt,
eine Gateelektrode (9) auf dem Gateisolierfilm (7),
eine Sourceelektrode (11) auf der Sourcezone (5),
eine Drainelektrode (12) auf der Drainzone (6),
einen Feldisolierfilm (8), der selektiv auf der Offsetzone (3) ausgebildet ist, und
einen spiralförmigen Dünnfilm (10) auf dem Feldisolierfilm (8), dessen eines Ende mit der Drainelektrode (12) und dessen anderes Ende mit der Sourceelektrode (11) verbunden ist, wobei der Dünnfilm (10) aus mehreren in Reihe geschalteten pn-Dioden gebildet ist und die Drainelektrode (12) umgibt.
2. Bauelement nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine gegendotierte Zone (44) im Oberflächenbereich der Offsetzone (3), wobei die gegendotierte Zone durch Diffusion von Dotierstoff des ersten Leitungstyps in den Oberflächenbereich der Offsetzone mit einer solchen Konzentration gebildet ist, daß die gegendotierte Zone den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Offsetzone (4) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Offsetzone (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.
4. Halbleiter-Bauelement mit MIS-Aufbau, umfassend:
ein Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstyps,
eine leicht dotierte Offsetzone (23) eines zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflä­ chenbereich des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist,
eine Basiszone (22) des ersten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Offsetzone (23) ausgebildet ist,
eine stark dotiert Drainzone (6) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbe­ reich der Offsetzone (23) ausgebildet und von der Basiszone (22) beabstandet ist,
eine Sourcezone (25) des zweiten Leitungstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Basiszone (22) ausgebildet ist,
einen Gateisolierfilm (27) wenigstens auf dem Teil der Basiszone (22), der sich zwischen der Sourcezone (25) und der Offsetzone (23) erstreckt,
eine Gateelektrode (29) auf dem Gateisolierfilm (27),
eine Sourceelektrode (31) auf der Sourcezone (25),
eine Drainelektrode (12) auf der Drainzone (6),
einen Feldisolierfilm (8), der selektiv auf der Offsetzone (23) ausgebildet ist, und
einen spiralförmigen Dünnfilm (10) auf dem Feldisolierfilm (8), dessen eines Ende mit der Drainelektrode (12) und dessen anderes Ende mit der Sourceelektrode (31) verbunden ist, wobei der Dünnfilm (10) aus mehreren in Reihe geschalteten pn-Dioden gebildet ist und die Drainelektrode (12) umgibt.
5. Bauelement nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch eine gegendotierte Zone (64) im Oberflächenbereich der Offsetzone (23) zwischen der Sourcezone (25) und der Drainzone (6), wobei die gegendotierte Zone durch Diffusion von Dotierstoff des ersten Leitfähigkeitstyps in den Oberflächenbereich der Offsetzone (23) mit einer solchen Konzentration gebildet ist, daß die gegendotierte Zone (64) den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.
6. Bauelement nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch eine Offsetzone (24) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv im Oberflächenbereich der Offsetzone (23) des zweiten Leitfähigkeitstyps zwischen der Sourcezone (25) und der Drainzone (6) ausgebildet ist.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Rückwärtssperrspannung einer der pn-Dioden und der Anzahl der pn-Dioden größer ist als die Durchbruchsspannung zwischen der Sourcezone und der Drainzone des Bauelements.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm (10) einen Dünnfilmwiderstand umfaßt, der von dem Mittelpunkt der Reihen­ schaltung von pn-Dioden abzweigt und längs der Drainelektrode (12) und der Sourceelektrode (11; 31) ausgebildet ist.
9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmwiderstand die p-Schicht oder die n-Schicht der pn-Dioden umfaßt.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des aus mehreren in Reihe geschalteten pn-Dioden (16) gebildeten Dünnfilms (10) ein Widerstands-Dünnfilm vorgesehen ist.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Windungen des Dünnfilms (10) sich zwischen der Drainelektrode (12) und der Sourceelektrode (11; 31) befinden.
12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm (10) aus Polysilicium besteht.
13. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch einen oder mehrere weitere spiralförmige Dünnfilme.
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EP1336989B1 (de) * 2002-02-18 2011-06-08 Infineon Technologies AG Transistorbauelement

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