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DE69527146T2 - Integriertes MOS-Bauelement mit einer Gateschutzdiode - Google Patents

Integriertes MOS-Bauelement mit einer Gateschutzdiode

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DE69527146T2 DE69527146T DE69527146T DE69527146T2 DE 69527146 T2 DE69527146 T2 DE 69527146T2 DE 69527146 T DE69527146 T DE 69527146T DE 69527146 T DE69527146 T DE 69527146T DE 69527146 T2 DE69527146 T2 DE 69527146T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein integriertes MOS-Bauelement mit einer Gate- Schutzzone gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Bekanntlich zielt die Leistungs-MOS-Technologie ab auf die Ausbildung von Leistungsbauelementen, die eine direkte Schnittstelle mit Steuerlogik-Schaltungen bilden. Dies bedingt, daß eine 3-5 V betragende Steuerspannung der Gate-Zone des MOS-Bauelements vorhanden ist, demzufolge Leistungs-MOS-Technologie die Fertigung von Bauelementen mit niedrigem Schwellenwert und mithin dünnem Gateoxid anstrebte.
  • Bei Niederspannungs-Anwendungen (30-60 V) erfordert außerdem eine Verringerung des Ausgangswiderstands offensichtlich den Einsatz skalierter Prozesse mit immer kleineren Kanallängen und Gateoxid-Dicken.
  • Als Folge davon besitzen derzeit verwendete Niederspannungs-Leistungs- MOS-Transistoren Gateoxid-Dicken von 20-50 nm (200 bis 500 Å).
  • Auf der einen Seite fordern also technologische sowie Anwendungs-Erfordernisse dünne Gateoxide, wohingegen andererseits Anwendungs- und Qualitätsstandard-Anforderungen Gateoxide verlangen, die elektrostatischen Ladungen widerstehen können. Aus diesem Grund wurden derzeit Standard werdende Tests unter Einsatz von Testschaltungen entwickelt, von denen die am meisten verbreitete in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Die Testschaltung 1 nach Fig. 1 enthält im wesentlichen einen Kondensator 2, der auf eine Testspannung (zum Beispiel 20 V für Transistoren bei einer Durchbruchspannung von 50 V) aufgeladen und dann über einen Widerstand 3 in den Prüftransistor 4 entladen wird. Der Stromfluß durch den Transistor 4 wird mit einem Amperemeter 6 gemessen. Ein möglicherweise defektes Gateoxid wird anhand des Strom-Meßwerts ermittelt.
  • Um das Gateoxid von Leistungs-MOS-Transistoren des obigen Typs zu schützen, wurde vorgeschlagen, Zenerdioden mit geringerer Durchbruchspannung als das Gateoxid in irgendeinem Betriebszustand zu integrieren, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, in welcher 10 den Leistungs-MOS- Transistor und 11 die Zenerdiode bedeutet. Letztere wird in diesem Fall durch ein Paar Rücken an Rücken angeordnete Diode 12 und 13 gebildet und befindet sich zwischen dem Gateanschluß G und dem Sourceanschluß S des Transistors 10.
  • Es gibt verschiedene Wege, eine Diode zwischen den Gate- und Sourceanschlüssen eines MOS-Transistors zu integrieren, von denen der einfachste Weg darin besteht, den Source-Bauteilkörper-Übergang mit einer umgekehrten Vorspannung zu nutzen. Bei dieser Lösung wird eine Zone ähnlich den Source-Zonen des MOS-Transistors in einer speziellen Substratmulde ausgebildet. Die Mulde wird mit der Gate-Metallzone verbunden, und die der Source ähnliche Zone in der Mulde wird mit der Source-Metallzone des Transistors verbunden.
  • Allerdings hat die obige Lösung den Nachteil, daß unvermeidlich ein parasitärer NPN-Transistor entsteht, der die dynamische Festigkeit der Struktur beeinträchtigt.
  • Bei einer weiteren bekannten Lösung werden Schutzdioden über dem Halbleitermaterial-Wafer unter Verwendung der Polysiliciumschicht, die für die Gate- Zonen verwendet wird, integriert. Diese Lösung hat den Vorteil, daß jegliche parasitären Elemente eliminiert werden aufgrund des Umstands, daß sich die Dioden außerhalb des Wafers befinden und elektrisch von diesem durch eine dicke Oxidschicht getrennt sind.
  • Der Nachteil der obigen Lösung allerdings liegt in der Notwendigkeit, die von den Schutzdioden belegte Fläche zu minimieren, um eine übermäßige Verringerung der für die aktiven Gerätekomponenten verfügbaren Fläche zu vermeiden, will man nicht eine unerwünschte Zunahme der Gesamtgröße des Bauelements in Kauf nehmen. Allgemein gesagt, ist es wünschenswert, wenn Schutzdioden nicht mehr als 3-5% der Gesamtfläche des Bauelements belegen, wobei diese Beschränkung allerdings ihre Effizienz beträchtlich beschneidet. Tatsächlich stellt die Kennlinie einer Polysiliciumdiode nach der Durchbruchspannung einen alles andere als vernachlässigbaren Widerstand (einige 10 Ohm) dar, der teilweise von dem Aluminium-Polysilicium-Kontakt und teilweise von der Fläche des PN-Übergangs abhängt. In der Praxis ist die Diodenkennlinie V0 von dem Typ:
  • VD = VZ+RZ I
  • wobei Vz die Durchbruchspannung (Beginn des Rückwärtsleitens der Diode), Rz der Ersatzwiderstand der in Sperrichtung leitenden Diode und I der Strom durch die Diode ist.
  • In anderen Worten: die Zenerdiode ist nicht mehr in der Lage, die Durchbruchspannung unabhängig vom Stromfluß zu halten, und im Anschluß an einen Durchbruch bildet sie einen mit dem Strom zunehmenden Spannungsabfall. Betragen beispielsweise RZ = 30 Ω, VZ = 15 V, und beträgt die Oxid-Durchbruchspannung 25 V, so reicht ein Strom von 1 350 mA aus, um die Schutzdiode wirkungslos zu machen, bedingt durch den Umstand, daß die Spannung größer als die Oxiddurchbruchspannung ist.
  • Dies ist besonders unerwünscht im Hinblick auf den Umstand, daß beim ESD- Testen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung der Stromfluß durch die Diode bis hin zu einigen Ampere reicht, so daß der Durchbruchwiderstand RZ höchstens einige Ohm betragen sollte (RZ < 5 &Omega;).
  • Im Hinblick auf den sehr geringen Spannungs-Randbereich (definiert als VOX- VZ, mit VOX als Oxid-Durchbruchspannung) von besonders dünnen Oxiden erfordert die Lösung, bei der Dioden in dem Polysilicium ausgebildet sind, einen sehr großen Übergang und große Kontaktflächen für die Schutzdiode, damit diese ordnungsgemäß arbeitet, was in bereits erwähnter Weise in direktem Widerspruch steht zu dem Erfordernis, die von den Dioden belegte Fläche zu verkleinern.
  • Die EP-A-0 600 229 zeigt in Fig. 4 als Stand der Technik ein MOS-Bauelement mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei die Diode zwischen dem Drain und dem Gate angeordnet ist, um das MOS-Bauelement im Fall einer hohen Rücklaufspannung einzuschalten.
  • Die US-A-4 688 323 zeigt einen MOSFET mit einem Schutzelement in Form von Rücken an Rücken geschalteten Dioden (D1, D2), gekoppelt zwischen die Gateelektrode und die Sourceelektrode des MOS-Bauelements. Das Schutzelement ist um das MOS-Bauelement herum ausgebildet.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein integriertes Bauelement des oben genannten Typs mit Gate-Schutzdioden anzugeben, welche so ausgestaltet ist, daß die typischerweise bei bekannten Methoden angetroffenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere sollte das integrierte Bauelement Schutzdioden enthalten, die auch dann wirksam sind, wenn sehr dünne Gateoxide vorhanden sind, ohne dabei eine übermäßige Zunahme der Gesamtfläche des Bauelements zu erfordern.
  • Erfindungsgemäß wird ein integriertes Bauelement gemäß Anspruch 1 geschaffen. Eine Reihe bevorzugter, nicht beschränkender Ausführungsformen der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine bekannte Testschaltung;
  • Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines integrierten Transistors, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;
  • Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements;
  • Fig. 4 eine Querschnittansicht entlang der Linie IV-IV eines Teils des Bauelements nach Fig. 3;
  • Fig. 5 eine Draufsicht auf eine vergrößerte Einzelheit des Bauelements nach Fig. 3;
  • Fig. 6 eine Draufsicht auf eine vergrößerte Einzelheit einer weiteren Ausführungsform des Bauelements nach Fig. 3;
  • Fig. 7 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements.
  • Fig. 3 bis 5 zeigen einen Leistungs-MOS-Transistor 10, der in einem Wafer 20 aus Halbleitermaterial integriert ist, der eine erste N&spplus;-Zone 21 enthält, die an einen Drainanschluß D angeschlossen ist, eine zweite N-Zone 22 über der Zone 21 enthält, welche eine Oberfläche 23 bildet. P&spplus;-Körperzonen 24 sind der Oberfläche 23 zugewandt im Inneren der zweiten Zone 22 untergebracht, und sie beinhalten ihrerseits N&spplus;-Sourcezonen 25, die von Abschnitten 24a von Körperzonen 24 getrennt sind. Polysilicium-Gatezonen 27 befinden sich auf der Oberfläche 23 zwischen paarweisen Körperzonen 24 und sind elektrisch von der Oberfläche 23 durch eine Gateoxidschicht 28 isoliert. Eine dicke Oxidschicht 29 umgibt die Gatezonen und trennt sie elektrisch von der Source-Metallzone 30, die sich über den Wafer 20 erstreckt und elektrisch mit Sourcezonen 25 sowie Bereichen 24a einer Körperzone 24 durch Kontaktzonen 30a kontaktiert ist.
  • Ein W-Kantenring 33, der in der zweiten Zone 22 ausgebildet ist, umschließt vollständig den Bereich, in welchem Körperzonen 24 gebildet sind (dem aktiven Bereich 34), und befindet sich unterhalb der dicken Feldoxidschicht 35. Eine Polysiliciumschicht 36 verläuft teilweise über die Feldoxidschicht 35 und teilweise über die aktive Fläche 34, und sie ist elektrisch von der Oberfläche 23 durch die Gateoxidschicht 28 getrennt.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, bildet die Polysiliciumschicht 36 sowohl eine Feldplattenzone 37 an ihrem inneren Rand, als auch eine Zenerdiode 11 über der Feldoxidschicht 35 und benachbart zu der Feldplattenzone 37. Insbesondere umfaßt die Diode 11 Bereiche 40, 41, 42, die derart dotiert sind, daß sie vom Leitfähigkeitstyp N&spplus;, P bzw. N&spplus; sind. Bereiche 40-42 mit konzentrischer Ringform, wobei der Bereich 40 der Feldplattenzone 37 benachbart ist, der Bereich 41 dem Bereich 40 benachbart ist, jedoch außerhalb von diesem liegt, und der Bereich 42 zu dem Bereich 41 benachbart, jedoch außerhalb von diesem liegt. Der Bereich 40 befindet sich unterhalb und in enger Nachbarschaft an dem Außenrand der Source-Metallzone 30 und ist mit dieser über einen Kontaktbereich 30b verbunden, der sich durch die dicke Oxidschicht 29 erstreckt. Der Bereich 42 befindet sich unterhalb der Gate-Metallzone 40 und ist mit dieser verbunden (wobei letztere den Transistor außerhalb der aktiven Fläche 34 gemäß Fig. 3 umgibt), was durch einen Kontaktbereich 44a geschieht, der sich auch durch die dicke Oxidschicht 29 hindurch erstreckt.
  • Die Diode 11 als solche erstreckt sich über etwa den gesamten Umfang des Transistors 10 und ist in der Polysiliciumschicht 36 ausgebildet, die bereits zur Bildung der Feldplattenzone 37 vorhanden ist, um die Spannungsfestigkeit der Struktur zu steigern, und um eine ringförmige Gate-Metallzone 44 zu bilden, die den Gatewiderstand reduziert. Die Umfangsanordnung der Diode 11 ist deutlich in Fig. 3 zu sehen, in der derjenige Bereich der Polysiliciumschicht 36, in dem die Diode 11 ausgebildet ist (nicht direkt sichtbar) schraffiert dargestellt ist.
  • Der obige Aufbau ermöglicht daher das Einbringen einer extrem großflächigen Zenerdiode 11 ohne Verlust an aktiver Fläche des Bauelements. Der Umstand, daß sich die Zenerdiode 11 über der Feldoxidschicht 35 befindet und von dem Wafer 20 durch die Dicke der Feldoxidschicht getrennt ist (etwa um 1 um), macht eine spezielle Polysiliciuminsel überflüssig.
  • Wie in Fig. 4 zu sehen ist, gleicht also die Fläche der Zenerdiode 11 dem Umfang des Transistors, multipliziert mit der Dicke der Polysiliciumschicht 36, und die Kontaktfläche der Kontaktbereiche 30b, 44a der Metallzonen 30, 44 erstreckt sich über die Gesamtheit des Übergangs an dem Umfang und entspricht:
  • AC,S = PS · LS; AC,G = PG · LG
  • wobei AC,S und AC,G die Kontaktfläche der Source- und Gate-Metallzonen sind, Ps und PG die Länge des Umfangs der Source- und Gatekontaktbereiche 30b, 44a ist (etwa entsprechend dem Innen- und Außenumfang der Diode 11), und Ls und LG die Breite dieser Kontaktbereiche sind (Fig. 5).
  • Für einen 10 mm² (etwa 3 mm im Quadrat) großen Transistor 10 mit einer 0,5 um dicken Polysiliciumschicht 36 und LS = LG = 4 um ist es daher möglich, eine Diode mit einer Fläche A von 6000 um² und einer Kontaktfläche von 48000 um² auszubilden. Zum Vergleich: um eine Diode gleicher Größe mit der oben beschriebenen bekannten Lösung auszubilden, wäre eine Polysiliciuminsel von etwa 0,5-1 mm² entsprechend 5-10% der Transistorfläche erforderlich, was auf Kosten der aktiven Zellen des Transistors ginge.
  • Das Ausbilden der Diode in der Polysiliciumschicht benachbart zu der Feldplattenzone 37 ermöglicht auch die möglicherweise benötigte Ausbildung von Gatefingern, die sich von irgendeinem Punkt der Metallzone 44 aus erstreckt, wie dies beispielhaft in Fig. 6 gezeigt ist, die eine vergrößerte Einzelheit des Transistors 10 zeigt, wobei sich von der peripheren Gate-Metallzone 44 aus ein metallischer "Finger" 44b mit einem Kontaktbereich 44c zum Kontaktieren von (nicht gezeigten) Polysiliciumgate-Streifen erstreckt.
  • Wenn die durch die Zenerdiode gewährleistete Spannung größer ist als die Durchbruchspannung einer Diode, so kann eine Anzahl von paarweisen Dioden in Reihe zwischen dem Source- und Drainkontaktbereich vorgesehen werden. Fig. 7 zeigt zum Beispiel zwei Paare von Dioden 12a, 12b, 13a und 13b. Beginnend am äußeren Rand der Feldplattenzone 37 in Fig. 7 beinhaltet die Polysiliciumschicht 36 eine N&spplus;-Zone 50, die den Sourcekontaktbereich 30b kontaktiert, eine P-Zone 51 benachbart zu der Zone 50, eine N&spplus;-Zone 52 benachbart zu de Zone 51, eine P-Zone 53 benachbart zu der Zone 52, und eine N&spplus;- Zone 54 benachbart zu der Zone 53, welche den Gatekontaktbereich 44a kontaktiert. Zonen 50, 51 bilden eine Diode 12a, Zonen 51, 52 bilden eine Diode 13a, Zonen 52, 53 bilden eine Diode 13b und Zonen 53, 54 bilden die Diode 13b.
  • Natürlich können Änderungen des hier beschriebenen und dargestellten Bauelements vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (7)

1. MOS-Bauelement (10) mit einem Körper (20) aus Halbleitermaterial, der eine Oberfläche (23) besitzt und eine aktive Zone (34) mit einem Umfang definiert, wobei das MOS-Bauelement mindestens eine Source-Zone (25), die in der aktiven Zone ausgebildet ist, mindestens eine über der Source-Zone ausgebildete und elektrisch von dieser isolierte Gate-Zone (27), eine Schicht (36) aus Halbleitermaterial, die sich über die Oberfläche (23) und entlang des Umfangs erstreckt, und die von dem Körper (20) aus Halbleitermaterial isoliert ist, und eine Gate-Schutzdiode (11), die in der Schicht (36) aus Halbleitermaterial außerhalb des Umfangs ausgebildet ist, aufweist wobei die Gate-Schutzdiode (11) eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden ringförmigen Bereichen (40- 42; 50-54) entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die sich jeweils entlang im wesentlichen dem gesamten Umfang der aktiven Zone (34) erstrecken und eine erste Kontaktzone (40) aufweisen, die elektrisch in Kontakt mit der Source-Zone (35) steht, und eine zweite Kontaktzone (42) besitzen, die elektrisch in Kontakt mit der Gate-Zone (27) steht; wobei die Schicht (36) aus Halbleitermaterial eine Feldplatten-Schutzzone (37) benachbart zu der und innen angrenzend an die Gate-Schutzdiode (11) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktzone (40) eine innere Kontaktzone und die zweite Kontaktzone (42) eine äußere Kontaktzone ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (36) aus Halbleitermaterial aus polykristallinem Silicium besteht.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist: eine Source-Metallzone (30), die sich über die aktive Zone (34) und die Gate-Zone (27) erstreckt; und eine Gate-Metallzone (44), die sich außerhalb der Source-Metallzone (30) und der aktiven Zone (34) erstreckt und elektrisch von der Source-Metallzone isoliert ist, wobei die Source-Metallzone (30) einen Kontaktbereich (30b) bildet, der die erste Kontaktzone (40) der Schutzdiode (11) kontaktiert, und die Gate-Metallzone (44) einen Kontaktbereich (44a) bildet, der die zweite Kontaktzone (42) der Schutzdiode kontaktiert.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Feldoxidschicht (35) aufweist, die extern die aktive Zone (34) definiert, und daß die Schutzdiode (11) über der Feldoxidschicht ausgebildet ist.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (11) ein Paar von mit den Rückseiten aneinanderliegenden Dioden (12, 13) aufweist.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (11) mindestens zwei Paare von mit den Rückseiten aneinanderliegenden Dioden (12a, 13a, 12b, 13b) aufweist.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angrenzenden Bereiche (40-42; 50-54) konzentrisch sind.
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