POWER MOS FIELD EFFECT TRANSISTOR AND METHOD OF PRODUCING THE SAME

Abstract: 1. A power-MOS-field effect transistor (MOS-FET) comprising a semiconductor body (1), containing a first zone (3) of the first conductivity type, a channel zone (6) of the second conductivity type adjoining the first surface (4) of the semiconductor body, a source zone (7) of the first conductivity type arranged in the channel zone and adjoining the first surface, the first zone (3) forming the drain zone and adjoining the first surface of the semiconductor body, a source contact (15) connecting the channel zone and the source zone, a drain contact (16) arranged on the second surface (5) of the semiconductor body which is located opposite the first surface thereof, and a gate electrode (8) which is insulated from the first surface, characterised in that at least the drain zone (3) is doped with metal atoms which form recombination centres.

Description: Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) mit einem Haibleiterkörper, enthaltend eine erste Zone vom ersten Leitungstyp, eine an die erste Oberfläche des Halblei- terkörpers tretende Kanalzone vom zweiten Leitungstyp, eine in der Kanalzone angeordnete, an der ersten Oberfläche liegende Sourcezone vom ersten Leitungstyp, wobei die erste Zone die Drainzone bildet und an die erste Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, mit einem die Kanalzone und die Sourcezone verbindenden Sourcekontakt, mit einem an der der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angebrachten Drainkontakt, sowie mit einer gegen die erste Oberfläche isolierten Gateelektrode. Leistungs-MOS-FET dieser Art sind Gegenstand vieler Ver öffentlichungen (vergleiche z. B. wElectronic Design", September 1, 1980, Seite 31, 32). Sie eignen sich zum Schalten von Lasten aller Art bei sehr geringer Steuerleistung. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Gleichstrom-Choppern und Motorsteuerungen. Die Last hat in diesen Anwendungsfällen einen hohen induktiven Anteil. Beim Abschalten der induktiven Last fliessen im Schaltkreis Ausgleichsströme. Bei Verwendung von bipolaren Halbleiterbauelementen hat man daher Freilaufdioden vorgesehen, die den Halbleiterbauelementen antiparallel geschaltet sind. Die Ausgleichsströme fliessen dann durch diese Freilaufdioden. Bei der Verwendung von Leistungs-MOS-FET in den genann- ten Schaltungen kann man aber unter bestimmten Voraussetzungen auf solche Freilaufdioden verzichten, da diese eine sogenannte integrierte Inversdiode aufweisen, die durch die Drainzone und dem durch den Sourcekontakt kontaktierten Teil der Kanalzone gebildet sind. Die integrierte lnversdiode hat einen bipolaren Leitungsmecha nismus und kann damit eine gewisse Ladung speichern. Ein Beispiel für eine Schaltung, bei der die integrierten Inversdioden ausgenutzt werden, ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Zunächst wird von dem Zustand ausgegangen, bei dem beide Transistoren T1 und T2 ausgeschaltet sind (Fig. 1). Dann fliesst ein Ausgleichsstrom I durch die Inversdiode D 2. Wenn beim Einschalten des Transistors T1 der Ausgleichsstrom der induktiven Last L von der Inversdiode D 2 des MOS-FET T2 auf den Transistorteil des MOS-FET T1 umkommutiert wird, fliesst ein Rückstrom durch die Inversdlode D 2 bi noch grosser Spannung am Transistor T1 (Fig. 23. Dies führt zu hohen Verlusten im MOS FET T10 Es wurde daher angeregt, dem MOS-FET T1 in diesen Fällen eine externe schnelle Diode antiparallel zu schalten (vergleiche Proceedings of Powercon 7 ¯Using the Power MOSFET's Integral Reverse Rectifier", Seite J2-9). Das bedeutet Jedoch einen erheblichen zusätzlichen Aufwand. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Rückstrom verhalten der integrierten Inversdiode so zu verbessern, dass die Verlustleistung im MOS-FET auch ohne externe Diode verringert und/oder die Betriebsfrequenz der Schaltung erhöht werden kann. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Drainzone mit Rekombinationszentren bildenden Metallatomen dotiert ist. In der DE-AS 26 32 448 ist ein CMOS-Bauelement beschrieben worden, das Gold als Rekombinationszentren enthält. Das Gold hat hier den Zweck, die Stromverstärkung eines parasitären, d. h. unerwünschten Thyristors herabzusetzen und dadurch eine mögliche bipolare Funktion zu unterbinden und zu eliminieren. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der obengenannten Inversdiode nicht um ein parasitäres und unerwünschtes Bauelement, sondern um ein Bauelement, dessen Eigenschaft verbessert und optimiert werden soll. Die Erfindung wird an Hand eines Ausftflirungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 näher erläutert. Es zeigen: Fig. 3' den Halbleiterkörper eines Leistungs-MOS-FET ent sprechend einem wesentlichen Verfahrensschritt der Erfindung und Fig. 4 den mit Kontakten versehenen Halbleiterkörper ei nes Leistungs-MOS-FET Leistungs-MOS-FET. Der HaLbleiterkörper nach Fig. 3 ist mit 1 bezeichnet. Er besteht aus einem stark n-dotierten Substrat 2 mit einer Dotierung von 1017 bis 1019 Atomen cm 3. Auf ' dem Substrat 2 ist eine epitaktische, schwach n-dotierte Schicht 3 aufgebracht. Ihre Dotierung und Dicke hängt von der Spannungsfestigkeit des Bauelements ab. Ein 500 V-MOSFET z. B. hat eine etwa 45 /um dicke Schicht mit einer Dotierung von 2,7 . 1014 cm 3. Der Halbleiterkörper 1 hat eine obere Oberfläche 4 und eine untere Oberfläche 5. An der oberen Oberfläche 4 ist eine stark p-dotierte Zone 6 implantiert oder eindiffundiert, die an die Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers tritt. Diese Zone ist die Kanalzone des MOS-FET. In die Zone 6 ist eine Sourcezone 7 eingebettet, die stark n-dotiert ist. Die Sourcezone wird von einem nicht dargestellten Source kontakt kontaktiert, der auch die Kanalzone 6 kontaktiert. Auf der Oberfläche 4 ist eine Isolierschicht 9 angeordnet, die beispielsweise aus Siliciumdioxid besteht. Weiterhin ist über der Oberfläche 4 eine Gateelektrode 8, z. B. aus Polysilicium, aufgebracht, die gegen die Oberfläche durch die Isolierschicht 9 isoliert ist. Oberhalb der Sourcezone 7 und der Kanalzone 6 ist ein Kontaktloch 12 frei gelassen, in dem später der Sourcekontakt angebracht wird. In den Halbleiterkörper ist eine Diode 11 eingezeichnet, die die oben erwähnte integrierte Inversdiode darstellt. Diese Inversdiode wird durch die Kanalzone 6 und die Drainzone 3 gebildet. Der zwischen den Zonen 6 und 3 liegende pn-2bergang 10 ist zugleich der pn-Ubergang dieser Diode 11. Im normalen Betriebszustand des MOS FET, d. h. bei einem Ladungsträgerfluss von Sourcezone 7 zur Drainzone 3, spielt diese Diode keine Rolle, da sie in Sperrichtung geschaltet ist. Sie entfaltet ihre Wirkung erst dann, wenn sich der Strom und die Spannung durch den MOS-FET durch die oben beschriebene Einwirkung einer induktiven Last umkehrt und als Ausgleichs strom nun durch die Diode 11 fliessen kann. In diesem Fall fliesst der Strom also von der Kanalzone 6 in die Drainzone 3. Dabei wird die Drainzone und insbesondere die Epitaxi#eschicht 3 von Ladungsträgern beider Polaritäten überschwemmt und eine hohe gespeicherte Ladung kommt zustande. Kommt es dann infolge Ab- oder Umschalten einer induktiven Last zu einem Rückstrom durch die Diode, führt dies in Verbindung mit der zuerst hohen Transistorspannung am einschaltenden Transistor zu den erwähnten hohen Schaltverlusten. Zur Verminderung dieser Verluste wird der Halbleiterkörper vor dem Anbringen der Kontaktelektroden einseitig, d. h. entweder in den Kontaktfenstern 12 oder auf der Oberfläche 5 oder auf beiden Seiten mit einem Rekombinationszentren bildenden Metall, z. B. Gold, belegt. Die Goldschicht ist mit 13, 14 bezeichnet. Das Gold kann z. B. durch Eintauchen in ein Goldbad oder auch durch Sputtern, d. h. durch Katodenzerstäubung, aufgebracht werden. Die aufgebrachte Schicht kann zwischen 0,1 und 20 nm dick sein. Das Gold wird dann bei einer Temperatur in den Halbleiterkörper eindiffundiert, die niedriger ist als diejenige Temperatur, bei der die Zonen 6, 7 und die Oxidschicht 9 hergestellt wurde. Als zweckmässig hat sich eine Temperatur von 700 bis 800 0C erwiesen. Es ist zweckmässig, soviel Gold in den MOS-FET einzubringen, wie die Dotierung der n Epitaxteschicht 3 mit die Leitfähig- keit bestimmenden Dotierstoffen beträgt. Die Goldkonzentration kann sogar etwas höher als die niedrigste, die Leitfähigkeit bestimmende Dotierung ein. Als Maximum dürfte etwa der Faktor 3 in Frage kommen. Als untere Grenze ist der Faktor 0,2 anzusehen. Nach dem Eindiffundieren des Goldes werden etwa vorhandene Reste auf den Oberflächen 4, 5 und auf der Isolierschicht 9 mit Königswasser weggeätzt. Anschliessend werden auf'die Oberflächen 4, 5 Kontakte 15, 16 aufgebracht (Fig. 4). Üblich ist das Aufdampfen einer Aluminiumschicht. Anstelle von Gold können auch andere Rekombinationszentren bildende Metalle, z. B. Platin, eindiffundiert werden. Es ist auch möglich, die obere Oberfläche 4 vor dem Aufbringen der Isolierschicht 9 und der Gateelektrode 8 ganzflächig mit dem Rekombinationszentren bildenden Metall zu belegen und diese ganzflächig einzudiffundieren. Durch die Rekombinationszentren werden die gespeicherte Ladung und dadurch die Schaltverluste im umschaltenden MOS-FET entscheidend herabgesetzt. Damit kann die Frequenz der Schaltung entsprechend erhöht werden. Auf der anderen Seite ist lediglich mit einer unbedeutenden Erhöhung des Durchlasswiderstandes Ron des Transistors zu rechnen. Fur den genannten Extremfall der die Dotierung in der Zone 3 um das Dreifache höheren Golddotierung ergibt sich eine Erhöhung des Ron um 20 96. 4 Figuren 9 Patentansprüche

Claims: Patentanspriiche 1. Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) mit einem Halbleiterkörper (1), enthaltend eine erste Zone (3) vom ersten Leitungstyp, eine an die erste Oberfläche (4) des Halbleiterkörpers tretende Kanalzone (6) vom zweiten Leitungstyp, eine in der Kanalzone angeordnete, an der ersten Oberfläche liegende Sourcezone (7j vom ersten Leitungstyp, wobei die erste Zone (3) die Drainzone bildet und an die erste Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, mit einem die Kanalzone und die Sourcezone verbindenden Sourcekontakt (in), mit einem an der der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (5) angebrachten Drainkontakt (16), sowie mit einer gegen die erste Oberfläche isolierten Gateeleketrode (8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens die Drainzone (3) mit Rekombinationszentren bildenden Metallatomen dotiert ist. 2. Leistungs-MOS-FET nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dotierungskonzentration der Metallatome zwischen dem 0,2fachen und dem Dreifachen der die Leitfähigkeit der Drainzone bestimmenden Dotierstoffkonzentration liegt. 3. Leistungs-MOS-FET nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dotierungskonzentration höher ist als die Mindestdotierung der Drainzone (3) mit die Leitfähigkeit bestimmenden Dotierstoffen. 4. Leistungs-MOS-FET nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Metallatome Goldatome sind. 5. Verfahren zum Herstellen eines MOS-FET nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metall vor dem Anbringen der Kontakte und vor dem Anbringen der Gateelektrode auf mindestens eine Oberfläche des Halbleiterkörpers ganzflächig aufgebracht wird und dass das Metall dann bei einer Temperatur eindiffundiert wird, die unterhalb derje- nigen Temperatur liegt, bei der die Zonen (6, 7) des Halbleiterkörpers und die Isolierschicht (9) lergestellt werden. 6. Verfahren zum Herstellen eines MOS-FET nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metall vor dem Anbringen der Kontakte und nach dem Anbringen der Gateelektrode auf mindestens eine Oberfläche (4) selektiv aufgebracht wird und dass das Metall dann bei einer Temperatur eindiffundiert wird, die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der die Zonen (6, 7) des HalbleiterRögpers und die Isolierschicht (9) hergestellt werden. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r O h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metall auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgesputtert wird. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Metall in einer Dicke von 0,1 bis 20 nm aufgebracht wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Verwendung von Gold als Rekombinationszentren bildendem Metall eine zwischen 700 und 800 0C liegende Diffusionstemperatur eingestellt wird.

Inventors: SCHUH, GOTTFRIED, TIHANYI, JENO, DR.-ING., Tihanyi, Jenö, Dr.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1982
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L21, H01L29