Brevet FR2532785A1 — publié le 19840309

La présente invention se rapporte à des transistors à effet de champ à porte isolée (IGFET)comme des transis- tors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET). Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des MOSFET verticaux utilisés dans des applications de puissance comme des MOSFET verticaux à double diffusion auxquel on se réfère couramment' dans l'industrie par des termes tels que VDMOS, DMOS# HMOS, TMOS et HEXFET (HEXFET étant une dénomination commerciale de International Rectifier, El Segundo, CA, EUA). Dans un MOSFET vertical conventionnel, des régions de source et de drain sont formées sur des surfaces opposées d'une pastille de semi-conducteur Une région de corps est disposée entre les régions de source et de drain, et pendant le fonctionnement du MOSFET, le courant s'écoule entre les régions de source et de drain à travers un canal dans la région de corps Le canal est couramment formé sur la même surface de semi-conducteur que la région de source, bien que dans certain esconception,. quelquefois appelées VMOS, le canal soit disposé à la surface d'une gorge dans la surface du semi-conducteur-. Le canal est conventionnellement décrit en terme de sa longueur, c'est-àdire l'espace entre les régions de source et de drain à la surface du semi-conducteur, et sa largeur, c'est-à-dire la dimension perpendiculaire à la longueur La largeur du canal, qui peut couramment être mesurée en unité de centimètres est typiquement bien plus importante que la longueur du canal, quiest fréquemment mesurée en microns. L'écoulement de courant à travers le canal est contrôlé par la tension appliquée à une porte-qui le recouvre Il est usuellement souhaitable d'avoir une petite longueur du canal pour la facilité de la commutation électrique, et d'avoir une grande largeur du canal pour une capacité accrue de transport de courant et une résistance réduite à l'état passant, RON Des configurations conven- tionnelles de canal comprennent une seule ligne en méandre, un certain nombre de raies ou bandes et un certain nombre de cellules d'une forme géométrique particulière agencées en une matrice. Dans un dispositif de puissance à IIOSFET vertical, la surface du semiconducteur d'oẻ'éterndent de la région de source et le canal peut être considérée comme comprenant deux z 5 nes majeures ayant ( 1) une portion active commandée par la porte et ( 2) une portion périmé- trique inactive adjacente Comme l'implique la nomencla- ture, la portion active commandée par la porte est: entourée de la portion inactive; la portion inactive s'étend jusqu'au bord de la pastille de semi-conducteur La portion active commandée par la porte contient la zÈne couverte par le canal ou les canaux Dans la portion périmétrique inactive est typiquement incorporé un moyen de support de tension tel qu'une plaque de champ, un bord mésa, un revêtement de passivation ou toute combinaison de ces structures Un exemple d'une plaque de champ que l'on peut utiliser à la partie périmétrique inactive peut être trouvé dans SEMICONDUCTOR POWER DEVICES de S K Ghandi, John Wiley & Sons, 1977, pages 66 à 70. Dans le cadre général des structures conventionnelles des MOSFET verticaux, la présente invention révèle une modification qui sert à augmenter la capacité de transport de courant du dispositif et à diminuer sa valeur de RON' Par ailleurs, la présente invention peut être mise en oeuvre dans un processus de fabrication d'un dispositif conventionnel, avec une-facilité relative. Dans un dispositif MOSFET vertical qui comprend une surface majeure ayant une portion active commandée par la porte adjacente à une portion inactive, un canal périmétrique commandé par la porte est disposéà la limite entre la portion active et la portion inactive. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif MOSFET vertical conventionnel Elle illustre une portion active typique commandée par la porte, une portion périmétrique inactive typique et la. limite entre elles; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un dispositif MOSFET vertical o est incorporée la présente invention; et la figure 3 est une vue en plan du dispositif conventionnel de la figure 1 avec certainespartiestotalement ou partiellement retiréespour la clarté; et la figure 4 est une vue en plan du dispositif de la figure 2, illustrant la présente invention. Dé nouveau, certainespartiesde la structure ont étéretirées pour la clarté La figure 1 illustre une section d'une partie d'un dispositif MOSFET vertical conventionnel 10 à double diffusion (ci-après VDMOS) Le dispositif est fabriqué sur une pastille de semi-conducteur 12 ayant des première et seconde surfadesmajeures et opposées 14 et 16 respectivement et un bord 17 La figure 3 illustre une vue de la première surface majeure 14 La partie supérieure de l'illustration de la figure 3 représente la surface 14- du semi-conducteur, tandis que la partie inférieure de la figure 3 illustre certaines des couches qui recouvrent également la surface 14 La ligne de coupe 1-1 sur la figure 3 -représente la section illustrée sur la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 1, la pastille 12 comprend une couche 18 de conductivité du type N+ qui est disposée sur la seconde surface 16 et une couche 20 du type N qui est disposée à travers la couche 18 du type N+ et qui s'étend jusqu'à la première surface 14. Les couches 20 et 18 sont la région de drain du dispositif et une électrode de drain 22 est disposée à travers la seconde surface 16 en contact ohmique avec la couche 18 du type N+. Comme le montre la figure 1, la première surface 14 se compose d'une portion active et d'uneportion inactive De la première surface 14 s'étendent dans la portion active, un certain nombre de régions de corps 24 du type P, chacune des régions de corps 24 ayant une partie centrale 26 du type P+ fortement dopée, qui s'étend également de la première surface Chaque région 24 forme une jonction corps/drain 32 à son interface avec la couche 20 du type N de la région de drain Comme le montre la figure 3, chaque région de corps 24 est de forme hexagonale et elles :sont agencéesen une matrice à deux dimensions sur la première surface 14 Dans les limites de chaque région de corps 24 est disposée une région de source 28 du type N+, afin de former une jonction source/corps 30 Comme le montre la figure 3, chacune des régions de source 28 est en forme d'anneau hexagonal et chacune est concentrique à une région correspondante de corps 24 de façon que la partie centrale 26 du type P+ de chaque région de corps 24 soit entourée par une région de source 28 sur la première surface. Sur la première surface 14, l'espace entre la jonction 30 source/corps et la jonction 32 corps/drain définit un canal 34 dans la région de corps 24 Ci-après, la zône de la première surface entourée par le périmètre externe de chaque canal 34 de forme hexagonale sera appelée cellule 36 du dispositif 10 Comme on peut le voir sur la figure 3, la longueur de canal de chacune des cellules 36 est égale La largeur de canal pour le dispositif 10 est égale à la somme des largeurs des canaux de chacune des cellules qu'il comprend A titre d'exemple, un dispositif MOSFET typique de 100 V et 1 A formé sur une pastille de 1,5 mm x 1,5 mm peut avoir environ 800 cellules, une longueur de canal de 2,4 microns et une largeur totale de canal de 6,7 cm. Comme on-peut le voir sur la figure 1, une porte 38, comprenant un oxyde de porte 40 sur la première surface 14 et une électrode de porte 42 sur l'oxyde 40, est disposée sur le canal 34 de chaque cellule 36 ainsi que sur la partie de la couche 20 de drain du type N- qui s'étend jusqu'à la-première surface entre des cellules voisines La partie inférieure de l'illustration de la figure 3 montre la configuration de la porte 38 sur la surface 14 Sur cette vue, la porte 38 ressemble à une feuille d'un matériau ayant un certain nombre d'ouvertures 44; une ouverture 44 est disposée au-dessus de la partie centrale de chaque cellule 36 afin d'exposer la partie centrale 26 fortement dopée du type P+ et une partie de la région de source 28 du type N+ entourant la partie centrale 26. Comme on peut le voir sur la figure 1, un matériau diélectrique 46 couvre la porte 38 et une électrode de source 48 recouvre le diélectrique 46 et contacte la: partie 26 du type P+ et la région de source 28 du type N+ à la première surface 14 à travers les ouvertures 44. Pour la clarté, la figure 3 ne montre ni le matériau diélectrique 46 ni l'électrode de source 48. Une région de terminaison de source 50 du type P+ est disposée sur la première surface 14 et elle marque sensiblement la limite entre la portion active commandée par la porte du dispositif et la portion périmétrique inactive La région 50 de terminaison de source sera typiquement espacée de la matrice de cellule 36 et du bord 17 de la pastille par la couche de drain 20 du type N-. Une bande diélectrique relativement épaisse 25 recouvre la région 50 de terminaison de source et entoure toute la zâne active sur la première surface Comme le montre les figures 1 et 3, l'électrode de porte 42 se termine sur la bande diélectrique épaisse 52. Dans la portion périmétrique inactive, une terminaison de bordure 54 entoure la bande diélectrique 52 sur la première surface 14 La terminaison de bordure 54 est espacée de la bande diélectrique 52, est disposée au dessus de la région 50 de terminaison de source et s'étend vers le bord ou bordure 17 de la pastille de semi-conducteur 12 La terminaison de bordure 54 comprend un oxyde de champ 56 et une électrode de terminaison de champ 58 L'oxyde de champ 56 couvre une partie de la région de terminaison de source 50, une partie de la couche de drain 20 du type N entre la région de terminaison de source 50 et la bordure 17 de la pastille et la limite entre elles L'électrode de terminaison de champ 58 recouvre le bord de l'oxyde de champ 56 à proximité du bord 17 de la pastille et contactera surface 14 entre iu-,yde de champ 56 et le bord de la pastille L'électrode de source 48 recouvre la couche diélectrique 52, l'oxyde de champ 56 et contacte la région de terminaison de source 50 dans l'espace entre la bande diélectrique 52 et l'oxyde 56 L'électrode de source 48 se termine sur l'oxyde de champ 56 en un point qui recouvre la couche de drain du type N entre la région de terminaison de source 50 et le bord 17 de la pastille L'électrode de source 48 peut de plus être espacée de la bande diélectrique 52 par le matériau diélectrique 46. La structure améliorée de la présente invention deviendra mieux apparente en se référant au dispositif 100 illustré sur les figures 2 et 4 Des chiffres analogues de référence (comme 32 et 132) sont utilisés pour désigner des régions fonctionnant d'une façon semblable dans le dispositif 100 de-la présente invention et dans le disposi- tif conventionnel 10 Le dispositif 100 comprend une pastille de semiconducteur 112 ayant des première et seconde surfaces majeures 114 et 116 respectivement, et la région de drain comprend de nouveau une couche 118 de conductivité du type N+ à travers la seconde surface 116 et une couche 120 du type N adjacente à la couche du type N+ et qui s'étend jusqu'à la première surface 114. Une électrode de drain 122 est en contact ohmique avec la région de drain 118 du type N+ à la seconde surface 116. La première surface majeure 114 est de nouveau subdivisée en portions active et inactive, la portion inactive s'étendant jusqu'au bord 117 de la pastille. Un certain nombre de régions de corps 124 du type P de forme hexagonalefont saillie dans la pastille de semi-conducteur 112 à partir de la première surface 114 et ellessont agencéesen une matrice à deux dimensions sur la première surface 114 comme le montre la figure 4. De nouveau, chaque région de corps 124 comprehd une partie centrale 126 du type P+ qui est relatiîzement fortement dopée Une région de source 128 du type N+ en forme d'anneau hexagonal est disposée dans les limites de chaque région de corps 124 de façon que l'espace entre une jonction de source/corps 130 et une jonction corps/drain 132 définisse un canal 134 à la surface 114 de chaque cellule 136 Une région de terminaison de source 150 du type P+ entourellagencement de cellules 136 et elle s'étend dans le substrat à partir de la première surface 114 pour délimiter la portion inactive du dispositif 100 La distinction critique du dispositif 100 par rapport au dispositif 10 selon l'art antérieur concerne la présence d'une région de corps supplémentaire 162 du type P et d'une région de source supplémentaire 164 du type N+ toutesdeux s'étendant de la première surface 114 et étant adjacentesà la région 150 de terminaison de source La région supplémentaire de corps 162 forme une jonction corps/drain 168 ayant une première interception de surface La région de source 164 est espacée de la jonction 168 corps/drain afin de former un canal périmé- trique 166 Ainsi la limite active/inactive définie entre la région de drain 20 et la région 50 de terminaison de source à la surface 14 du dispositif conventionnel 10 est remplacée par un canal actif 166 commandé par la porte. Selon la forme réelle du dispositif, la présente invention peut contribuer à une augmentation sensible de la largeur du canal Par exemple, l'incorporation d'un canal périmé- trique dans 1 e dispositif de 100 V, 1 A précédemment -cité augmentera la largeur du canal de 6,7 cm à 7,6 cm. Cela peut efficacement diminuer la valeur de R ON de 13 % car RON est inversement proportionnelle à la largeur du canal du dispositif. Dans le dispositif 100 est incorporée une porte 138 qui comprend un oxyde de porte 140, une électrode de porte 142 et des ouvertures 144 d'une façon analogue à ce qui ' a été décrit pour le dispositif conventionnel 10. Cependant, tandis que la porte 38 selon l'art antérieur se termine sur une bande diélectrique 52, le bord 170 de la porte à ouverture 138 de la présente invention se conforme généralement, par sa forme, au contour du canal périmétrique 166, comme le montre la figure 4 La bande diélectrique 52 nécessaire dans le dispositif 10, comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, est évitée grâce à la présente invention. Une terminaison de bordure 154, semblable à la terminaison conventionnelle de bordure 54, comprenant un oxyde de champ 156, une électrode de terminaison de champ 158 s'étendant vers le bord 117 de la pastille, forme un périmètre inactif de support de tension à la surface 114 du dispositif 100 Une électrode de source 148 recouvre toutes les structures sur la première surface 114, et elle est isolée de la porte 138 par un matériau diélectrique 146, elle contacte la région de terminaison de source 150 et se termine à la surface de l'oxyde de champ 156 au-dessus de la couche de drain 120 du type N-. Le dispositif de la présente invention peut facilement être fabriqué en utilisant des techniques conventionnelles de traitement Il ne faut aucune étape supplémentaire de traitement Pour fabriquer la structure du dispositif au lieu du dispositif conventionnel 10, il faut simplement substituer des photomasques modifiés Par ailleurs, ceux qui sont compétents enla matière reconnaîtront que la présente invention n'est pas limitée à la configuration géométrique révélée Par exemple, les cellules ne doivent pas nécessairement être de forme hexagonale, et elles ne doivent pas non plus nécessairement avoir toutes la même forme, et elles ne doivent pas non plus être agencées en une disposition à deux dimensions Il faut également remarquer que les terminaisons de bordure 54 et 154 sont simplement données à titre d'exemple -parmi celles utilisées dans des MOSFET verticaux conventionnel de puissance. On peut les substituer par une grande variété de terminaisons conventionnelle inactivesde bordure. REVENDICATIONS 1. Dispositif MOSFET vertical comprenant une surface majeure ayant une portion active commandée par la porte et une portion inactive adjacente caractérisé en ce que un canal périmétrique ( 166)commandé par la porte est disposé à la limite entre la portion active et la portion inactive. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion active commandée par la porte comprend un certain nombre de cellules espacées ( 136) agencées en une disposition à deux dimensions sur la surface majeure précitée, chaque cellule ayant un canal commandé par la porte décrivant son pourtour. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cellule est de forme hexagonale. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à la surface majeure, le canal périmétrique commandé par la porte entoure sensiblement la portion active. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur la surface majeure le canal périmétrique commandé par la porte est entouré de façon adjacente par une région supplémentaire de source ( 164); et la région supplémentaire de source est entourée par une région de terminaison de source ( 150). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus: une première région de corps ( 124) entourée de façon. adjacente par une région de drain sur la surface majeure précitée; une première région de source ( 128) disposée dans les limites de la première région de corps et espacée de la région de drain, afin de définir un canal dans la première 253278-5 1 1 région de corps à la surface majeure; une région de corps supplémentaire ( 162) entourant ledit canal et qui en est espacée par la région de drain; et une région supplémentaire de source ( 164) disposée dans les limites de la région supplémentaire de corps afin de définir le canal péripétrique dans la région supplémen- taire de corps à la surface majeure - 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un certain nombre de premières régions de' corps ayant des- canaux, chacune desdites premières régions-de corps étant entourée par le canal périmétrique.