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DE69937101T2 - Laterale-dünnfilm-silizium-auf-isolator (soi) anordnung mit mehreren gebieten im drift-gebiet - Google Patents

Laterale-dünnfilm-silizium-auf-isolator (soi) anordnung mit mehreren gebieten im drift-gebiet Download PDF

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DE69937101T2
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft den Bereich von Halbleiter-auf-Isolator(SOI)-Anordnungen, insbesondere von lateralen SOI-Anordnungen, die für Hochspannungs-Anwendungen geeignet sind.
  • Bei der Herstellung von Hochspannungs-Leistungsanordnungen müssen typischerweise Nachteile und Kompromisse in Bereichen wie Durchbruchspannung, Größe, Widerstand bei eingeschalteter Anordnung und Einfachheit und Zuverlässigkeit der Produktion in Kauf genommen werden. Oft führt die Verbesserung eines Parameters, wie Durchbruchspannung, zur Verschlechterung eines anderen Parameters, wie Widerstand bei eingeschalteter Anordnung. Idealerweise würden solche Anordnungen ausgezeichnete Eigenschaften in allen Bereichen mit einem Minimum an Nachteilen im Hinblick auf Betrieb und Produktion aufweisen.
  • Eine besonders vorteilhafte Form von lateralen Dünnfilm-SOI-Anordnungen enthält ein Halbleitersubstrat, eine versenkte isolierende Schicht auf dem Substrat und eine laterale MOS-Anordnung auf der versenkten isolierenden Schicht, wobei die MOS-Anordnung, wie ein MOSFET, eine Halbleiter-Oberflächenschicht auf der versenkten isolierenden Schicht, ein Source-Gebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das in einem Body-Gebiet eines zweiten, zu dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, eine isolierte Gate-Elektrode über einem Kanal-Gebiet des Body-Gebiets und davon durch ein Isolationsgebiet isoliert, ein laterales Drift-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps und ein durch das Drift-Gebiet seitlich beabstandet von dem Kanal-Gebiet angeordnetes Drain-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, beinhaltet.
  • Eine Anordnung dieser Art ist in 1 abgebildet, bekannt aus den verbundenen US-Patenten No. 5,246,870 (auf ein Verfahren gerichtet) und 5,412,241 (auf eine Anordnung gerichtet), welche mit der vorliegenden Anmeldung durch den gleichen Anmelder verbunden sind. Die in 1 abgebildete Anordnung der vorgenannten Patente ist eine laterale SOI-MOSFET Anordnung mit verschiedenen Merkmalen, wie eine in der Dünne verringerte SOI-Schicht mit einem linearen lateralen Dotierungs-Profil in dem Drift-Gebiet und einer aufliegenden Feldplatte, um den Betrieb zu verbessern. Wie üblich ist diese Anordnung ein mit dem üblicherweise als NMOS-Technologie bezeichneten Verfahren hergestellter n-Kanal- oder NMOS-Transistor mit Source- und Drain-Gebieten vom n-Typ. Eine SOI-Anordnung mit einem linear-dotierten Drift-Gebiet mit konstanter Dicke ist in US-Patent No. 5,300,448 gezeigt, welches ebenfalls mit der vorliegenden Anmeldung durch den gleichen Anmelder verbunden ist.
  • Fortgeschrittenere Technologien zur Verbesserung von Hochspannungs- und Hochstrom-Leistungsparametern von SOI-Leistungsanordnungen sind im US-Patent No. 6,236,451 , angemeldet am 24. 12. 1997, gezeigt, welches mit der vorliegenden Anmeldung durch den gleichen Anmelder verbunden ist. Der Einsatz mehrerer paralleler Gebiete mit einheitlicher Dotierung im Drift-Gebiet ist in der UK-Patentanmeldung GB 2,309,336A gezeigt, entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die parallelen Gebiete sind abwechselnd von n-Typ- und p-Typ-Leitungsfähigkeit und reichen vom Kanal-Diffusionsgebiet in das Drain-Gebiet.
  • Eine weitere Technik zur Verbesserung der Leistung einer SOI-Anordnung besteht darin, eine hybride Anordnung auszubilden, die mehr als eine Art Anordnungskonfiguration in einer einzelnen Struktur kombiniert. So ist beispielsweise im US-Patent No. 6,133,591 , welches mit der vorliegenden Anmeldung durch den gleichen Anmelder verbunden ist, eine SOI-Anordnung offenbart, die einen lateralen DMOS-Transistor und einen LIGB-Transistor in der selben Struktur aufweist.
  • Es ist also offensichtlich, dass eine Vielzahl von Techniken und Ansätzen zum Einsatz gekommen sind, um Leistungshalbleiteranordnungen zu verbessern, in einem anhaltenden Bestreben, eine dem Optimum näher kommende Kombination von solchen Parametern, wie Durchbruchspannung, Größe, Stromführungsleistungfähigkeit und Produktionserleichterung, zu erhalten. Während alle vorhergehenden Strukturen verschiedene Grade der Verbesserung der Leistung der Anordnung bieten, optimiert keine Anordnung oder Struktur alle der Design-Anforderungen für den Hochspannungs-, Hochstrom-Betrieb vollständig.
  • Demgemäß wäre es wünschenswert, eine Transistoranordnungsstruktur zu haben, die hohe Leistung in einer Hochspannungs-, Hochstrom-Umgebung er bringt, deren Betriebsparameter, insbesondere Widerstand bei eingeschalteter Anordnung und Durchbruchspannung, weiter optimiert sind.
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Transistoranordnungsstruktur bereitzustellen, die hohe Leistung in einer Hochspannungs-, Hochstrom-Umgebung erbringt. Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine solche Transistoranordnungsstruktur bereitzustellen, deren Betriebsparameter, wie Widerstand bei eingeschalteter Anordnung und Durchbruchspannung, verbessert sind.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator(SOI)-Anordnung bereit, umfassend ein Halbleitersubstrat, eine versenkte isolierende Schicht auf dem Substrat und eine laterale MOS-Anordnung auf der versenkten isolierenden Schicht, ein Source-Gebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem Body-Gebiet eines zweiten, zu dem ersten entgegengesetzten, Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, ein laterales Drift-Gebiet benachbart zum Body-Gebiet, ein durch das laterale Drift-Gebiet seitlich beabstandet von dem Body-Gebiet angeordnetes Drain-Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, und eine Gate-Elektrode über einem Teil des Body-Gebiets in welchem ein Kanal-Gebiet während des Betriebs und über mindestens einem Teil des zum Body-Gebiet benachbarten lateralen Drift-Gebiets ausgebildet ist, wobei die Gate-Elektrode von dem Body-Gebiet und dem Drift-Gebiet durch ein Isolationsgebiet isoliert ist, und das laterale Drift-Gebiet ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und sich mehrere beabstandete Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps dort hindurch in lateraler Richtung vom Body-Gebiet zum Drain-Gebiet erstrecken. Erfindungsgemäß steigt die Dotierungskonzentration im lateralen Drift-Gebiet aus dem Material des ersten Leitfähigkeitstyps in Richtung vom Body-Gebiet zum Drain-Gebiet an, und nimmt die Dotierungskonzentration in den beabstandeten Gebie-Zonen in dieser Richtung ab.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen das Drift-Gebiet und die beabstandeten Zonen eine lineares Dotierungsprofil in genannter Richtung auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beabstandeten Zonen des lateralen Drift-Gebiets durch Oberflächenzonen ausgebildet, die sich in vertikaler Richtung nur teilweise durch das laterale Drift-Gebiet erstrecken und in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die beabstandeten Zonen vom Body-Gebiet in Richtung des Drain-Gebiets, kommen aber nicht mit dem Drain-Gebiet in Kontakt.
  • Laterale Dünnfilm SOI-Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung bieten eine signifikante Verbesserung insofern, als eine Kombination von positiven Leistungseigenschaften, wie geringer Widerstand bei eingeschalteter Anordnung und hohe Durchbruchspannung, die die Anordnungen in einer Hochspannungs-, Hochstrom-Umgebung anwendbar machen, erreicht werden kann.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden deutlich und erläutert mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung kann mit Bezug auf die folgende Beschreibung, zu lesen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren, vollständiger verstanden werden, wobei
  • 1 einen vereinfachten Schnitt einer lateralen Dünnfilm SOI-Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entlang der Schnittebene 1-1 in 2 zeigt;
  • 2 eine vereinfachte Draufsicht der lateralen Dünnfilm SOI-Anordnung von 1 zeigt;
  • 3 eine vereinfachte Draufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 4 eine vereinfachte Draufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer lateralen Dünnfilm SOI-Anordnung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 5 einen vereinfachten Schnitt entlang der Schnittebene 5-5 in 2 zeigt;
  • 6 einen vereinfachten Schnitt entlang der Schnittebene 6-6 in 4 zeigt.
  • In der Figur sind Halbleitergebiete desselben Leitfähigkeitstyps in den Schnitten grundsätzlich in gleicher Richtung schraffiert dargestellt und es ist anzumerken, dass die Figuren nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im vereinfachten Schnitt von 1 beinhaltet ein lateraler Dünnfilm SOI MOS Transistor 20 ein Halbleitersubstrat 22, eine versenkte isolierende Schicht 24 und eine Halbleiter-Oberflächenschicht 26 in welcher die Anordnung gefertigt ist. Der MOS Transistor beinhaltet ein Source-Gebiet 28 eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein Body-Gebiet 30 eines zweiten, zu dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, ein laterales an eine Kante 30A des Body-Gebiets 30 angrenzendes Drift-Gebiet 32 des ersten Leitfähigkeitstyps und ein Drain-Gebiet 34, ebenfalls des ersten Leitfähigkeitstyps. Die Basisstruktur der Anordnung wird von einer Gate-Elektrode 36, die von der darunter liegenden Halbleiter-Oberflächenschicht 26 durch ein Oxid-Isolierungsgebiet 38 isoliert ist, vervollständigt. Im Anwendungsbereich der Erfindung kann die in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende MOS Transistorstruktur verschiedene, aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannte, leistungsverbessernde Merkmale aufweisen, wie z. B. eine gestuftes Oxid-Gebiet 38A, 38B, erweiterte Gate-Elektrodenstruktur, die einen Feldplattenabschnitt 36A bildet, und einen dünnen Teil eines lateralen Drift-Gebiets 32A und möglicherweise auch eine weitere Feldplatte auf dem Oxid-Gebiet 32B, oder je nach Bedarf weitere leistungsverbessernde Merkmale aufweisen, ohne vom Erfindungsgedanken oder dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Alternativ kann ein laterales Drift-Gebiet mit konstanter Dicke, wie im US-Patent No. 5,300,448 offenbart, zum Einsatz kommen. Außerdem kann der MOS Transistor 20 auch ein mit dem Source-Gebiet 28 in Kontakt stehendes Oberflächenkontaktgebiet 40 beinhalten, das im Body-Gebiet 30 angeordnet ist und vom selben Leitfähigkeitstyp wie das Body-Gebiet, aber höher dotiert, ist.
  • Es ist ersichtlich, dass die in den Figuren abgebildeten vereinfachten, charakteristischen Anordnungen bestimmte Anordnungsstrukturen darstellen, dass aber umfangreiche Abwandlungen von sowohl Anordnungsgeometrien als auch – konfigurationen im Anwendungsbereich der Erfindung zum Einsatz kommen können.
  • Eine vereinfachte Draufsicht einer Anordnung wie in 1 dargestellt ist in 2 gezeigt. In 2 lässt sich das von der rechten Kante 30A des Body-Gebiets bis zum Drain-Gebiet 34 erstreckende laterale Drift-Gebiet 32, mit mehreren sich horizontal in lateraler Richtung von dem Body-Gebiet zum Drain-Gebiet erstreckenden beabstandeten Zonen 32A des zweiten Leitfähigkeitstyps, erkennen. Es ist offensichtlich, dass, obwohl in 2 nur zwei solcher Zonen gezeigt sind, reale Anordnungen tatsächlich eine größere Anzahl von beabstandeten Zonen im Drift-Gebiet aufweisen. Obwohl im Anwendungsbereich der Erfindung eine Vielzahl von Geometrien und Dotierungsprofilen betrachtet werden, sollten sowohl das laterale Drift-Gebiet 32 als auch die beabstandeten Zonen 32A einen variierenden Ladungsgrad in lateraler Richtung aufweisen. In einer typischen Ausführungsform, in der das Drift-Gebiet von n-Typ-Leitfähigkeit ist und die Zonen von p-Typ-Leitfähigkeit sind, steigt der Ladungsgrad im lateralen Drift-Gebiet 32 in Richtung vom Body-Gebiet zum Drain-Gebiet an, während der Ladungsgrad in den Zonen 32A in dieser Richtung abnimmt.
  • Wenngleich zu verstehen ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Dimensionen oder Ladungsgrade festgelegt ist, liegt die Breite der beabstandeten Zonen 32A und der Drain-Gebiets-Segmente 32 zwischen den Zonen 32A (in Richtung der Schnittebene 5-5 in 2) typischerweise zwischen 1 und 10 Mikometern, wobei der variierende Ladungsgrad in diesen Zonen in lateraler Richtung von der Kante des Body-Gebiets 30a zum Drain-Gebiet 34 um den Faktor 5–10 oder mehr variiert und der Ladungsgrad in den Drain-Gebiets-Segmenten und den Zonen in entgegengesetzte Richtungen variiert. Folglich kann der Ladungsgrad für eine typische Anordnung mit einer Drift-Gebietslänge von 50 Mikrometer in den Drift-Gebiet-Abschnitten 32 von ca. 1 × 1012 at/cm2 am Body-Gebiet-Ende der Anordnung bis zu 7 × 1012 – 1 × 1013 at/cm2 am Drain-Gebiet-Ende der Anordnung variieren, wobei die beabstandeten Zonen 32A eine ähnliche, aber entgegengesetzte Variation im Ladungsgrad aufweisen.
  • In der alternativen Ausführungsform, gezeigt in der vereinfachten Draufsicht von 3, ist die Struktur weitgehend ähnlich zu der in 2, außer dass die beabstandeten Zonen 32A sich bis zum Drain-Gebiet 34 erstrecken, aber nicht mit dem Drain-Gebiet in Kontakt kommen. Stattdessen enden die Zonen 32A bei 32B vor dem Drain-Gebiet, typischerweise in einem Abstand von ca. 5 bis 10 Mikrometer, um die Durchbruchseigenschaften weiter zu verbessern.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie in der vereinfachten Draufsicht in 4 dargestellt, verjüngen sich die beabstandeten Zonen 32A ebenso wie die Teile des Drift-Gebiets 23 zwischen den beabstandeten Zonen 32A. In dieser Ausführungsform weisen das laterale Drift-Gebiet und Zonen jeweils ein konstantes Dotierungsniveau auf, anstelle eines linear oder anders variierenden Dotierungsgrads, wobei das erfindungsgemäße Merkmal des variierenden Ladungsgrads über die variierende Breite der Drift-Gebiets-Segmente und der beabstandeten Zonen (in Richtung der Schnittebene 6-6 in 4) bereitgestellt wird. Eine typische Variation der Breite der Zonen 32A und der Gebiete 32 weist ein Verhältnis von ca. 5 oder 10 zu 1 von einer Seite der Anordnung zur anderen auf, wobei der genaue Grad der Verjüngung eine Funktion des für ein bestimmtes Design gewünschten Ladungsgrads ist.
  • Zwei weitere Designvarianten sind in den vereinfachten Schnitten von 5 und 6 dargestellt, in Richtung der Schnittebene 5-5 in 2 bzw. der Schnittebene 6-6 in 4. In diesen Schnitten sind die verschiedenen zuvor beschriebenen Bereiche und Gebiete in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung des Schnitts in 1 dargestellt. In der in 5 gezeigten Ausführungsform haben die beabstandeten Zonen 32A das gleiche vertikale Ausmaß wie die lateralen Drift-Gebiet-Segmente 32 und erstrecken sich vom Isoliergebiet 38B hinunter bis zur versenkten isolierenden Schicht 24, wohingegen sich in 6 die beabstandeten Zonen 32A in vertikaler Richtung von der Oberfläche nur teilweise (typischerweise bis zur Hälfte oder weniger) durch das laterale Drift-Gebiet erstrecken, so dass Teile des lateralen Drift-Gebiets 32 unterhalb der Zonen 32A verbleiben.
  • Es ist zu erkennen, dass die verschiedenen oben beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen alternativ oder in Kombination, entweder in Anordnungen, die ein dünnes Drift-Gebiet wie in 1 gezeigt aufweisen, oder in Anordnungen mit einem im wesentlichen ebenen Drift-Gebiet, wie in US-Patent No. 5,300,448 , zum Einsatz kommen können und so eine extrem große Variationsbreite von Anwendungen der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von den zu erfüllenden Design-Parametern bieten.
  • In vorbekannten Dünnfilm SOI-Anordnungen erfolgt eine Minderung der Ladung im Drift-Gebiet nur durch Interaktionen elektrischer Felder zwischen dem Drift-Gebiet und einer oder mehreren aufliegenden Feldplatten und ist daher von Natur aus zweidimensional. Folglich resultieren sehr hohe vertikale elektrische Felder, was den Einsatz von sehr dünnen SOI Schichten für das Drift-Gebiet erfor derlich macht, was einen erhöhten Widerstand bei eingeschalteter Anordnung zur Folge hat. Indem Streifen oder Zonen im Drift-Gebiet bereitgestellt werden, die sich in lateraler Richtung vom Body-Gebiet zum Drain-Gebiet erstrecken, verändert sich der Minderungsmechanismus von einem zweidimensionalen Modus zu einem dreidimensionalen Modus, wobei eine zusätzliche Ladungsminderung aufgrund der lateralen p-n Verbindungen zwischen dem lateralen Drift-Gebiet und den beabstandeten Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auftritt. Folglich kann mehr Ladung in das Drift-Gebiet eingeleitet werden, was zu einer signifikanten Senkung des Widerstands bei eingeschalteter Anordnung bei einer gegebenen Durchbruchspannung führt. Darüber hinaus führt die Bereitstellung einer zusätzlichen Minderungsdimension zu einer Reduzierung des vertikalen elektrischen Feldes im Drift-Gebiet, was die Konstruktion von robusteren Anordnungen und eine dickere Drift-Gebiet SOI Schicht ermöglicht.
  • Schließlich ist zu erkennen, dass die beabstandeten Zonen gemäß der vorliegenden Erfindung mit bekannten Techniken zum Bereitstellen solcher Zonen, wie Implantation und/oder Diffusion hergestellt werden können.
  • Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung eine Transistoranordnungsstruktur bereit, die hohe Leistung in einer Hochspannungs-, Hochstrom-Umgebung erbringt und gleichzeitig die Betriebsparameter von Widerstand bei eingeschalteter Anordnung und Durchbruchspannung verbessern.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass vielfältige Veränderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken oder dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (5)

  1. Laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Anordnung (20), umfassend – ein Halbleitersubstrat (22), – eine versenkte isolierende Schicht (24) auf dem Substrat und – eine laterale MOS-Anordnung (20) auf der versenkten isolierenden Schicht, – ein Source-Gebiet (28) eines ersten Leitfähigkeitstyps, das in einem Body-Gebiet (3) eines zweiten, zu dem ersten entgegengesetzten, Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, – ein laterales Drift-Gebiet benachbart zum Body-Gebiet, – ein durch das laterale Drift-Gebiet seitlich beabstandet von dem Body-Gebiet angeordnetes Drain-Gebiet (34) des ersten Leitfähigkeitstyps, und – eine Gate-Elektrode (36) über einem Teil des Body-Gebiets in welchem ein Kanalgebiet während des Betriebs und über mindestens einem Teil des zum Body-Gebiet benachbarten lateralen Drift-Gebiets ausgebildet ist, – wobei die Gate-Elektrode von dem Body-Gebiet und dem Drift-Gebiet durch ein Isolationsgebiet (38) isoliert ist, und – das laterale Drift-Gebiet ein Material des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und sich mehrere beabstandete Zonen (32A) des zweiten Leitfähigkeitstyps dort hindurch in lateraler Richtung vom Body-Gebiet zum Drain-Gebiet erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration im lateralen Drift-Gebiet (32) aus dem Material des ersten Leitfähigkeitstyps in Richtung vom Body-Gebiet (30) zum Drain-Gebiet (34) ansteigt, und die Dotierungskonzentration in den beabstandeten Zonen (32A) in dieser Richtung abnimmt.
  2. Laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Drift-Gebiet und die Zonen ein lineares Dotierungsprofil in genannter Richtung aufweisen.
  3. Laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zonen Oberflächengebiete (32A, 6) umfassen, die sich in vertikaler Richtung nur teilweise durch das Drift-Gebiet erstrecken.
  4. Laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Zonen (32A) von dem Body-Gebiet (30) erstrecken um das Drain-Gebiet (34) zu kontaktieren.
  5. Laterale Dünnfilm-Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Zonen (32A) vom Body-Gebiet (30) in Richtung des Drain-Gebiets (32B) erstrecken, aber nicht mit dem Drain-Gebiet (32B) in Kontakt kommen.
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