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Die
Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein unipolares
Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht. Des Weiteren betrifft
die Erfindung eine Halbleitervorrichtung.
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Ein
Halbleiter-Bauelement weist häufig eine sogenannte Driftschicht
auf. Die Driftschicht ist dazu ausgelegt, in einem Sperrfall des
Halbleiter-Bauelements eine Sperrspannung aufzunehmen. In einem
Durchlassbetrieb des Halbleiter-Bauelements ist ein Stromfluss durch
die Driftschicht möglich, wobei eine möglichst
geringe elektrische Verlustleistung vorteilhaft ist.
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In
der Regel weist eine Driftschicht eines Halbleiter-Bauelements eine
gleichmäßige, konstante Dotierung entlang ihrer
Wachstumsrichtung auf. Als Alternative dazu ist in der Veröffentlichung "Optimum
Doping Profile for Minimum Ohmic Resistance and High-Breakdown Voltage" (IEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-26, NO. 3, MARCH 1979) eine
Schottky-Diode mit einer Driftschicht aus Silizium beschrieben,
welche eine Ladungsträger-Dotierung aufweist, die ausgehend
von einem Minimum an einer von dem Substrat weggerichteten, oberen
Grenzfläche der Driftschicht mit zunehmendem Abstand von
der oberen Grenzfläche gegen unendlich dirigiert. Die Verfasser
der Veröffentlichung beschreiben deshalb die Ladungsträger-Dotierung
als in der Realität kaum erreichbar.
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In
der
DE 2 103 389 ist
ein Herstellungsverfahren für eine Silizium-Driftschicht
eines Halbleiter-Bauelementes beschrieben, welche mit zunehmender
Tiefe einen annähernd linearen Dotierungsanstieg aufweist. Dabei
wird vorgeschlagen, die Driftschicht über ein epitaktisches
Abscheiden zu bilden. Eine auf diese Weise hergestellte Silizium-Driftschicht
weist jedoch ein ungünstiges Verhältnis bezüglich
einer vergleichsweise niedrigen Sperrspannung bei relativ hohen
Durchlassverlusten auf.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren für ein unipolares
Halbleiter-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und
eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
ein Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement
mit einer Driftschicht bereitgestellt, welches den Schritt umfasst:
Bilden der Driftschicht mit einer kontinuierlich fallenden Konzentration
einer Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung
der Driftschicht durch epitaktisches Abscheiden eines Materials
der Driftschicht, welches mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
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Ebenso
wird eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, welche einen Substratbereich
und ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht
aufweist, wobei die Driftschicht entlang einer Richtung von einer
dem Substratbereich zugewandten ersten Grenzfläche zu einer
der ersten Grenzfläche gegenüberliegenden zweiten
Grenzfläche eine kontinuierlich fallende Konzentration
einer Ladungsträger-Dotierung aufweist, und welche mindestens
ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
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Die
kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht kann beispielsweise
eine streng monoton fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
sein. Dabei ist die Driftschicht nicht auf einen bestimmten Dotierungstyp
beschränkt. Die kontinuierlich fallende Konzentration kann
eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung sein.
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Ein
bevorzugter (optimaler) Dotierungsverlauf ist in einer ein Wide-Bandgap-Material
(z. B. Siliziumkarbid) umfassenden Driftschicht mittels eines epitaktischen
Abscheidens des Driftschicht-Materials auf einfache Weise und verlässlich
realisierbar. Da die Epitaxie eines Wide-Bandgap-Materials in der
Regel bei hohen Temperaturen ausgeführt wird und die Atome
des Kristallgitters stärker gebunden sind als beispielsweise
bei Silizium, ist eine nachträgliche Veränderung
des Konzentrationsverlaufs aufgrund einer Diffusion der Dotieratome
unterbunden, denn nachfolgende Prozesse werden meistens bei geringeren
Temperaturen durchgeführt.
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Dies
ist ein wesentlicher Vorteil einer ein Wide-Bandgap-Material umfassenden
Driftschicht gegenüber einer Driftschicht aus Silizium.
Nach einem Bilden einer Driftschicht aus Silizium tritt in der Regel
eine unerwünschte Diffusion der Dotieratome durch nachfolgende
Prozesse auf, welche das bevorzugte Dotierungsprofil verändert.
Bei der vorliegenden Erfindung ist diese Diffusion der Dotieratome
unterbunden. Dabei ist unter dem Wide-Bandgap-Material ein Material
mit einer großen Bandlücke zu verstehen.
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Über
die vorliegende Erfindung ist eine Driftschicht mit einer vorteilhaften
kontinuierlich fallenden Konzentration einer Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht, eine sogenannte Gradienten-Epitaxieschicht,
auf einfache Weise realisierbar und über einen vergleichsweise
langen Zeitraum unter Ausnutzung der vorteilhaften Konzentration
der Ladungsträger-Dotierung verwendbar. Unter Berücksichtigung
eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen elektrischen Felds an der
Sperrschicht der Driftschicht und einer vorgegebenen/bevorzugten
Sperrspannung lässt sich der vorteilhafte Dotierungsverlauf
der Gradienten-Epitaxieschicht festlegen und über den vergleichsweise
langen Zeitraum einhalten. Somit ermöglicht die Erfindung
ein Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht, bei welcher ein
vorteilhaftes Verhältnis aus einer vergleichsweise großen
Sperrspannung bei relativ niedrigen Durchlassverlusten gewährleistet
ist.
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Das
Halbleiter-Bauelement kann ein aktives Halbleiter-Bauelement, wie
beispielsweise ein MOSFET oder ein JFET, sein. Ebenso kann das Halbleiter-Bauelement
ein passives Halbleiter-Bauelement, beispielsweise eine Schottky-Diode,
sein. Insbesondere kann das Halbleiter-Bauelement als hochsperrendes,
vertikal aufgebautes unipolares Leistungsbauelement ausgebildet
sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
wird die Driftschicht aus dem Wide-Bandgap-Material und der Ladungsträger-Dotierung
gebildet. Eine unerwünschte Diffusion der Dotieratome ist
in diesem Fall verlässlich unterbunden.
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Vorteilhafterweise
wird die Driftschicht (16) zumindest aus einem Wide-Bandgap-Material
mit einer Bandlücke, welche größer als
die Bandlücke von Silizium ist, gebildet. Die Bandlücke
des Wide-Bandgap-Materials ist vorzugsweise mindestens 2 eV breit.
Dies führt zu einer verlässlichen Gewährleistung
der oben beschriebenen Vorteile.
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Beispielsweise
wird die Driftschicht zumindest aus Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid
gebildet. Da die Epitaxie von Siliziumkarbid bei hohen Temperaturen
von über 1.400°C stattfindet und die Atome des
Kristallgitters stärker gebunden sind, als beispielsweise
bei Silizium, ist eine nachträgliche Veränderung
des Konzentrationsverlaufs aufgrund einer Diffusion der Dotieratome
unterbunden. Dieser Vorteil ist auch gewährleistet, sofern
das Ausheilen bei einer etwas höheren Temperatur als die
Epitaxie durchgeführt wird.
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Dieser
Vorteil ist auch bei der Verwendung von Galliumnitrid gewährleistet.
Die Epitaxie von Galliumnitrid wird meistens bei 1000°C
bis 1200°C durchgeführt. Das Ausheilen von weiteren
Dotierungsimplantationen kann zwar teilweise bei höheren
Temperaturen erfolgen. Allerdings tritt dabei keine merkliche Diffusion
auf. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass die Diffusion
durch Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid und/oder ein anderes
Wide-Bandgap-Material nicht nur aufgrund der Temperatur bei der
Epitaxie, sondern auch durch die Kristallstruktur eines Wide-Bandgap-Materials
unterbunden ist. In Wide-Bandgap-Materialien sind die Kristallatome
stärker gebunden, was eine Diffusion von Atomen erschwert.
Des Weiteren werden die dem Ausheilen nachfolgenden Prozesse fast
ausschließlich bei Temperaturen unter der Epitaxietemperatur
durchgeführt.
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Bevorzugter
Weise wird die Driftschicht mit einer Schichtdicke d
Epi gebildet,
welche unter Berücksichtigung einer bevorzugten Sperrspannung
V
Br der Driftschicht und einem bevorzugten
maximalen elektrischen Feld E
max der Driftschicht
festgelegt wird. Insbesondere kann dabei gelten:
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Alternativ
kann auch gelten:
wobei
und λ in einem Bereich
zwischen 10 bis 1000 liegt. Die Driftschicht mit der kontinuierlich
fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang
der Wachstumsrichtung kann somit die vergleichsweise geringe Schichtdicke
d
Epi aufweisen. Dabei ist die Schichtdicke
d
Epi kleiner oder gleich einer Vergleichs-Schichtdicke einer
verwendbaren Vergleichs-Driftschicht mit einer konstanten Vergleichs-Dotierung.
Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung
der Driftschicht mit der kontinuierlich fallenden Konzentration
der Ladungsträger-Dotierung unter Beibehaltung vorteilhafter
Werte für die Sperrspannung und die Durchlassverluste.
Daraus ergibt sich, dass die Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht)
mit der Schichtdicke d
Epi unempfindlicher
gegenüber Schwankungen der Dotierparameter, wie beispielsweise
der Dicke, ist.
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Als
Alternative oder als Ergänzung dazu kann eine Grenzfläche
der Driftschicht mit einer maximalen Dotierung N
0 gebildet
werden, welche unter Berücksichtigung der bevorzugten Sperrspannung
V
Br der Driftschicht, dem bevorzugten maximalen
elektrischen Feld E
max der Driftschicht
und einem Gradienten-Parameter λ festgelegt wird. Der Gradientenparameter
bestimmt den Unterschied zwischen der maximalen Dotierkonzentration
und einer minimalen Dotierkonzentration an einer der Grenzfläche
gegenüberliegenden weiteren Grenzfläche der Driftschicht.
Vorzugsweise wird die maximale Dotierung N
0 so
festgelegt, dass gilt:
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Eine
derartige maximale Dotierung gewährleistet ein vorteilhaftes
Verhältnis zwischen der Sperrspannung und dem maximalen
Feld.
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Der
in dem oberen Absatz beschriebene Vorteil ist auch gewährleistet,
sofern gilt:
wobei
und λ in einem Bereich
zwischen 10 bis 1000 liegt.
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Alternativ
oder Ergänzend kann die Driftschicht mit einer Konzentration
N(z) der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung
z der Driftschicht gebildet werden, welche unter Berücksichtigung
der Schichtdicke d
Epi der Driftschicht,
der maximalen Dotierung N
0 der Grenzfläche
der Driftschicht und dem Gradienten-Parameter λ festgelegt
wird. Vorteilhafterweise gilt:
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Die
vorliegende Erfindung bietet somit ein optimales Dotierprofil der
Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht), welches über
den epitaktischen Abscheideprozess unter Verwendung von einem Wide-Bandgap-Material
(z. B. Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid) auf einfache Weise
und verlässlich realisierbar ist. Durch das optimale Dotierprofil
der Driftschicht können die Durchlassverluste des Halbleiter-Bauelements
bei gleicher Sperrspannung um bis zu 25% reduziert werden. Dies
ist ein signifikanter Vorteil gegenüber einer konstant
dotierten Driftschicht.
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Bei
einer gegebenen Sperrspannungsklasse eines unipolaren Leistungsbauelements,
beispielsweise eines Schalters oder einer Diode, kann der Durchlasswiderstand
durch Verwendung einer Gradienten-Epitaxieschicht um bis zu 25%
gesenkt werden. Dies ist realisierbar, ohne dass Einbussen in der
Sperrfähigkeit der Driftschicht auftreten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Gradienten-Parameter
in einem Bereich zwischen 10 bis 1000. Insbesondere kann der Gradienten-Parameter
in einem Bereich zwischen 50 bis 200 liegen. Wie unten noch genauer
ausgeführt wird, lässt sich eine Driftschicht
mit einem derartigen Wert für den Gradienten-Parameter
einfach realisieren und bietet zu einem hohen Prozentsatz die Vorteile
eines unendlichen Gradienten-Parameters.
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Beispielsweise
wird die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht über ein
Variieren eines Gasflusses des mindestens einen Dotierstoffs für die
Ladungsträger-Dotierung während des epitaktischen
Abscheidens des Materials der Driftschicht ausgebildet. Auf diese
Weise kann der Einbau von Dotieratomen während des Epitaxieprozesses
kontrolliert verändert werden.
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Des
Weiteren kann die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht über ein
Variieren eines Verhältnisses aus einem ersten Gasfluss
und einem zweiten Gasfluss während des epitaktischen Abscheidens
des Materials der Driftschicht (16) ausgebildet werden,
wobei der erste Gasfluss und der zweite Gasfluss das Wide-Bandgap-Material
umfassen. Beispielsweise wird die kontinuierlich fallende Konzentration
der Ladungsträger-Dotierung über ein Variieren
eines Verhältnisses aus Kohlenstoff und Silizium während
des epitaktischen Abscheidens ausgebildet. Auch ein derartiges Herstellungsverfahren
lässt sich einfach ausführen.
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Die
in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile des Herstellungsverfahrens
sind auch bei einer entsprechenden Halbleitervorrichtung gewährleistet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
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1A bis 1D vier
Koordinatensystem zum Erläutern einer ersten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement;
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2 ein
Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement;
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3 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Halbleitervorrichtung;
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung;
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5A und 5B schematische
Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung;
und
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6 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung.
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In
den Figuren sind Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen, die
gleiche oder ähnliche Bauteile betreffen – sofern
nichts Gegenteiliges beschrieben worden ist.
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1A bis 1D zeigen
vier Koordinatensystem zum Erläutern einer ersten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement.
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Zum
Beschreiben des Herstellungsverfahrens wird eine Berechnungsvorschrift
für ein vorteilhaftes Dotierungsprofil einer Driftschicht
des hergestellten Halbleiter-Bauelementes unter Berücksichtigung/Einhaltung
eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen (elektrischen) Felds Emax der Driftschicht und einer vorgegebenen/bevorzugten
Durchbruchspannung VBr angegeben. Dabei
ist unter dem vorteilhaften Dotierungsprofil ein Dotierungsprofil
zu verstehen, welches bewirkt, dass die Driftschicht bei einer möglichst
großen Sperrspannung VBr einen
relativ geringen Schichtwiderstand ρ aufweist.
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Das
im Weiteren erläuterte Herstellungsverfahren umfasst ein
epitaktisches Abscheiden eines Materials der Driftschicht, welches
zumindest ein Wide-Bandgap-Material und eine Ladungsträger-Dotierung
umfasst. Ein geeignetes Wide-Bandgap-Material ist beispielsweise
Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid. Die Wachstumsrichtung der
Driftschicht verläuft entlang der z-Achse, wobei eine untere
Grenzfläche der Driftschicht, welche vorzugsweise zu einem
Substrat ausgerichtet ist, parallel zu der xy-Ebene ausgerichtet
ist mit z = dEpi bei einer Schichtdicke
dEpi der hergestellten Driftschicht. Die
der unteren Grenzfläche gegenüberliegende obere
Grenzfläche ist ebenfalls parallel zu der xy-Ebene ausgerichtet
mit z = 0. Die Bezeichnungen untere Grenzfläche und obere
Grenzfläche beziehen sich auf Herstellungsverfahren eine
Driftschicht, bei welcher die untere Grenzfläche vor der
oberen Grenzfläche gebildet wird. Das hier beschriebene
Herstellungsverfahren ist aber auch zur Herstellung einer Driftschicht
mit einer Wachstumsrichtung von oben nach unten übertragbar.
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Unabhängig
von dem Dotierungsprofil N(z) längs der Wachstumsrichtung
gelten für das elektrische Feld E(z), das Potential V(z)
und dem Schichtwiderstand ρ die Gleichungen (Gl 1) bis
(Gl 3), wobei e
0 die Elementarladung, ε
0 die Permittivität des Vakuums, ε
r die relative Permittivität und μ die
Ladungsträgerbeweglichkeit bezeichnen:
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Das
im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren basiert auf der Erkenntnis,
dass von einem Punch-Through-Design der Driftschicht ausgegangen
werden kann. Somit kann angenommen werden, dass die Driftschicht
im Sperrfall völlig von Ladungsträgern entleert
ist. Es kann weiterhin angenommen werden, dass das elektrische Feld
E(z) an der unteren Grenzschicht bei z = dEpi auf
0 abgefallen ist. Die Entwicklung des Herstellungsverfahrens beruht
auch auf der Erkenntnis, dass die unvollständige Ionisation
der Dotieratome in dem Wide-Bandgap-Material sowie die Abhängigkeit
der Beweglichkeit von der Dotierkonzentration vernachlässigbar
ist.
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Das
maximale elektrische Feld, welches im Weiteren als maximales Feld
E
max bezeichnet wird, und die Sperrspannung
V
Br ergeben sich aus den Gleichungen (Gl
1) und (Gl 2) für z = 0 mit:
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Über
das im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren erhält
man ein Dotierprofil N(z) in der Driftschicht, bei welchem die Sperrspannung
V
Br maximiert und gleichzeitig der Schichtwiderstand ρ minimiert
ist. Das Herstellungsverfahren basiert auf der Erkenntnis, dass
das vorteilhafte Dotierprofil N(z) über eine Anwendung
eines Lagrange-Multiplikators herleitbar ist. Das Funktional ergibt
sich mit:
wobei a der sogenannte Lagrange-Multiplikator
ist.
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Der
in Gleichung (Gl 6) in Klammer gesetzte Term
l(E, dE / dz
) genügt
bevorzugterweise der Euler-Lagrange-Differenzialgleichung (Gl 7)
mit:
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Zur
Lösung der Gleichung (Gl 7) wird die Gleichung (Gl 8) verwendet
mit:
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Man
erhält somit die Differenzialgleichung (Gl 9):
welche durch Trennung der
Variablen integrierbar ist. Auf diese Weise erhält man
Gleichung (Gl 10).
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In
der Gleichung (Gl 10) ist ein Gradienten-Parameter λ, welcher
mittels der Gleichung (Gl 11) definiert ist:
wobei N
0 die
maximale Flächendotierung (Dotierung der unteren Grenzfläche)
bei z = d
Epi angibt.
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Bei
der Definition des Gradienten-Parameters λ wird von einer
kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
N(z) entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht ausgegangen,
welche über das hier erläuterte Herstellungsverfahren
in der Driftschicht realisierbar ist. Der Gradienten-Parameter λ bestimmt
die Ausprägung der Variation des Dotierprofils. Je größer
der Gradienten-Parameter λ wird, desto größer
ist die Änderung der Dotierkonzentration längs
der Wachstumsrichtung. Im Grenzfall λ -> 0 wird eine konstant dotierte Ausgangsepitaxieschicht
reproduziert.
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Der
in Gleichung (Gl 10) angegebene funktionale Zusammenhang des Dotierverlaufs
N(z) kann in die Gleichungen (Gl 3) bis (Gl 5) eingesetzt werden.
Man erhält dabei die Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14) mit:
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Die
Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14) beschreiben die funktionalen Zusammenhänge
der hergestellten Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht). Allerdings
treten neben den Vorgabewerten Emax und
VBr in den Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14)
noch die Parameter der Schichtdicke dEpi,
der maximalen Flächendotierung N0 und des
Gradienten-Parameters λ auf.
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Für
ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales Feld E
max und
eine gegebene Schichtdicke d
Epi kann die maximale
Flächendotierung N
0 aus Gleichung
(Gl 13) hergeleitet werden:
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Für
die Sperrspannung V
Br erhält man
aus Gleichung (Gl 14) die folgende Gleichung (Gl 16):
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Somit
erhält man für die Schichtdicke d
Epi der
Driftschicht in Zusammenhang (Gl 17):
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Die
Schichtdicke d
Epi gemäß Gleichung
(Gl 17) kann anschließend in Gleichung (Gl 15) eingesetzt
werden. Man erhält dabei
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Somit
sind für ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales Feld E
max und eine vorgegebene/bevorzugte Sperrspannung
V
Br die Parameter der Driftschicht in Abhängigkeit
von dem Gradienten-Parameter λ herleitbar. Man erhält
für den Schichtwiderstand ρ:
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Für
den Fall eines Gradienten-Parameters λ gegen Unendlich
strebt der Nenner von Gleichung (Gl 10) gegen Unendlich. Damit das
Dotierprofil N(z) endlich bleibt, wäre somit eine unendlich
hohe maximale Flächendotierung N0 (in
der unteren Grenzfläche) vorteilhaft.
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Für
den Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich lassen sich
für die Funktionen f(λ), g(λ) und h(λ)
die folgenden Approximationen (Gl 20) bis (Gl 22) herleiten:
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Über
die Approximationen (Gl 20) bis (Gl 22) ergeben sich bei einem Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich
die folgenden Grenzwerte für die Schichtdicke d
Epi, die maximale Flächendotierung
N
0 und den Schichtwiderstand ρ:
wobei mit der Vergleichs-Schichtdicke
d
epi.const, der Vergleichs-Flächendotierung
N
0.const und dem Vergleich-Schichtwiderstand ρ
const jeweils die Parameter einer entsprechenden
Vergleichs-Driftschicht (im Punch-Through-Design mit E(z = d
Epi) = 0) mit einer entlang der Wachstumsrichtung
konstant verlaufenden Ladungsträger-Dotierung und einem
gleichen maximalen Feld E
max und einer gleicher
Sperrspannung V
Br bezeichnet werden.
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Durch
Einsetzen der Gleichung (Gl 24) in Gleichung (Gl 10) und Grenzwertbildung
erhält man:
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In
diesem Fall beträgt die Dotierkonzentration N(z) an der
oberen Grenzfläche 2/3 der Konzentration der konstant dotierten
Vergleichs-Driftschicht. An der unteren Grenzfläche der
Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht) divergiert die Dotierkonzentration
N(z) jedoch gegen Unendlich. Somit ist dieser Grenzfall mit einem
Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich nicht realisierbar.
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Das
im Weiteren beschriebene Verfahren ermöglicht jedoch eine
Driftschicht, welche die Vorteile des in den oberen Absätzen
beschriebenen Grenzfalls (mit dem Gradienten-Parameter λ gegen
Unendlich) nahezu vollständig unter Verwendung eines endlichen
und leicht realisierbaren Gradienten-Parameter λ gewährleistet.
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Zwischen
dem ersten Grenzfall mit einem Gradienten-Parameter λ gegen
0 und dem zweiten Grenzfall mit einem Gradienten-Parameter λ gegen
Unendlich zeigen die Gleichungen (Gl 17) bis (Gl 19) einen stetig differenzierbaren Übergang.
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Das
hier beschriebene Herstellungsverfahren beruht auf der Erkenntnis,
dass für einen bestimmten Bereich von Werten für
den Gradienten-Parameter λ die Vorteile des zweiten Grenzfalls
mit λ gegen Unendlich zu einem hohen Prozentsatz realisierbar
sind und gleichzeitig der Dotierverlauf auf einfache Weise während des
epitaktischen Abscheideprozesses kontinuierlich veränderbar
ist. Um dies zu erreichen, werden lediglich bei einem geeigneten
Wert des Gradienten-Parameters λ die Gasflüsse
und/oder Gasverhältnisse in der Epitaxieanlage kontinuierlich
verändert.
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Zum
Darstellen der Vorteile dieses Verfahrens wird auf die nachfolgend
beschriebenen Figuren verwiesen:
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1A bis 1D zeigen
vier Koordinatensysteme zum Erläutern einer Relation zwischen
einem Gradienten-Parameter, einer Schichtdicke, eines Schichtwiderstands,
einer maximalen Flächendotierung, eines maximalen Felds
und einer Sperrspannung einer mittels einer ersten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens gebildeten Driftschicht.
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1A gibt
einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ und
einer Schichtdicke dEpi an, welche zur Gewährleistung
eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen Felds Emax und
einer vorgegebenen/bevorzugten Sperrspannung VBr anstelle
einer Vergleichs-Flächendotierung N0.const von
6 × 1015 cm–3 und einer
Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm
verwendbar sind. Dabei ist die Abszisse der Gradienten-Parameter λ und
die Ordinate die zugehörige Schichtdicke dEpi in
Mikrometer.
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Zwischen
dem Wertebereich von 10–1 bis 102 erkennt man einen Übergangsbereich
mit einer negativen Steigung mit einem hohen Betrag. Somit führt
bereits ein Gradienten-Parameter λ in diesem Wertebereich zwischen
10–1 bis 103 zur
Gewährleistung einer vorteilhaften dünnen Driftschicht
gegenüber der Vergleichs-Schichtdicke depi.const von
14 μm der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht. Durch
die dünnere Ausbildung der mittels des hier beschriebenen
Herstellungsverfahrens gebildeten Driftschicht sind beispielsweise die
Herstellungskosten reduzierbar.
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1B gibt
einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ und
einem zugehörigen Schichtwiderstand ρ wieder.
Die Abszisse ist der Gradienten-Parameter λ. Die Ordinate
ist der zugehörige Schichtwiderstand ρ in mΩcm2. Die wiedergegebenen Zahlenwerte beziehen
sich auf die oben genannten Werte der Vergleichs-Flächendotierung
N0.const von 6 × 1015 cm–3 und der Vergleichs-Schichtdicke
depi.const von 14 μm.
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Auch
in 1B erkennt man einen Übergangsbereich
des Schichtwiderstands ρ bei einem Gradienten-Parameter λ in
dem Wertebereich zwischen 10–1 und
103. In dem Übergangsbereich hat
der Schichtwiderstand ρ mit einem starken Gradientenverlauf
ab. Somit ist ein Gradienten-Parameter λ ab 10–1 vorteilhaft
für eine Driftschicht mit einem geringen Schichtwiderstand ρ.
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Ab
einem Gradienten-Parameter λ von 100 nimmt der Schichtwiderstand ρ kaum
noch ab. Man kann dies auch so bezeichnen, dass der Schichtwiderstand ρ bei
einem Gradienten-Parameter λ von 100 seinen Optimalwert
fast schon erreicht hat. Es ist somit ausreichend, einen Driftschicht
mit einem Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen
10–1 und 103 zu
bilden. Eine weitere Steigerung des Gradienten-Parameter λ über
103 ist im Vergleich mit einem Gradienten-Parameter λ in
dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103 mit keinen signifikanten Vorteilen verbunden.
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Vorzugsweise
wird deshalb bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren ein
Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103,
bevorzugt zwischen 50 bis 200, insbesondere von 100, verwendet.
Für einen derartigen Gradienten-Parameter λ ergibt
sich aufgrund der Wurzelabhängigkeit eine Dotierungsbandbreite
von etwa einer Größenordnung zwischen einer Maximaldotierung
an der unteren Grenzfläche und einer Minimaldotierung an
der oberen Grenzfläche. Diese Dotierungsbandbreite lässt
sich auf einfache Weise bei einer epitaktischen Abscheidung des
Materials der Driftschicht realisieren.
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1C gibt
die maximale Flächendotierung Nmax an
der unteren Grenzfläche und die minimale Flächendotierung
Nmin an der oberen Grenzfläche
in Abhängigkeit von dem Gradienten-Parameter λ an.
Die an der Ordinate angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die
Vergleichs-Flächendotierung N0.const von
6 × 1015 cm–3 und
die Vergleichs-Schichtdicke depi.const von
14 μm.
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1D gibt
einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ,
dem maximalen Feld Emax und der Sperrspannung
VBr an. Die jeweiligen Zahlenwerte für
das maximale Feld Emax und die Sperrspannung VBr der Ordinaten beziehen sich auf die Vergleichs-Flächendotierung
N0.const von 6 × 1015 cm–3 und die Vergleichs-Schichtdicke
depi.const von 14 μm.
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Wie
in 1D zu erkennen ist, wird für alle Zahlenwerte
des hier untersuchten Gradienten-Parameters λ ein vorgegebenes/bevorzugtes
maximales Feld Emax und eine vorgegebene/bevorzugte
Sperrspannung VBr konstant eingehalten.
Dabei liegt das vorgegebene/bevorzugte maximale Feld Emax bei
ca. 1500 kV/cm. Die vorgegebene/bevorzugte Sperrspannung VBr beträgt etwa 1100 V.
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Bei
dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird die Driftschicht
vorzugsweise mit einer Schichtdicke d
Epi gebildet,
welche unter Berücksichtigung der vorgegebenen/bevorzugten
Sperrspannung V
Br und dem vorgegebenen/bevorzugten
maximalen Feld E
max der Driftschicht festgelegt
wird. Insbesondere kann dabei gelten:
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Alternativ
kann auch (Gl 17) zur Gewährleistung der Vorteile gelten.
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Eine
derartige vorteilhafte Beziehung zwischen der Schichtdicke dEpi, dem maximalen Feld Emax und der
Sperrspannung VBr ist auf einfache Weise
realsierbar, sofern der Gradienten-Parameter λ in einem
Wertebereich zwischen 10 bis 1000 liegt. Somit kann bei dem hier
beschriebenen Herstellungsverfahren die Schichtdicke dEpi um
bis 25% gegenüber der Vergleichs-Schichtdicke depi.const der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht
reduziert werden. Entsprechend kann auch der Schichtwiderstand ρ auf
bis zu 75% des Vergleichs-Schichtwiderstands der konstant dotierten
Vergleichs-Driftschicht reduziert werden. Dies gewährleistet die
oben beschriebenen Vorteile.
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Zusätzlich
kann bei dem Herstellungsverfahren die untere Grenzfläche
der Driftschicht mit einer maximalen Flächendotierung N
0 gebildet werden, welche unter Berücksichtigung
der bevorzugten Sperrspannung V
Br, den bevorzugten
maximalen Feld E
max der Driftschicht und
eines Gradienten-Parameters λ in einem Bereich zwischen
10 bis 1000 festgelegt wird. Insbesondere kann dabei die Gleichung
(GL 18) oder die Gleichung (Gl 28) gelten mit:
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Des
Weiteren kann die Driftschicht mit einer Dotierung N(z) entlang
der Wachstumsrichtung gebildet werden, welche unter Berücksichtigung
der Schichtdicke d
Epi der maximalen Flächedotierung
N
0 der unteren Grenzfläche der
Driftschicht und dem Gradienten-Parameter λ in dem Bereich
zwischen 10 bis 1000 festgelegt wird. Vorzugsweise gilt dabei die
Gleichung (Gl 29) mit:
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Ein
derartiges Dotierungsprofil N(z) ist auf einfache Weise und verlässlich
realisierbar, indem die Driftschicht durch ein epitaktisches Abscheiden
eines Materials, welches zumindest ein Wide-Bandgap-Material und
die Ladungsträger-Dotierung umfasst, gebildet wird. Insbesondere
kann die Driftschicht aus dem Wide-Bandgap-Material und der Ladungsträger-Dotierung
gebildet werden. Vorzugsweise liegt der Gradienten-Parameter λ in
einem Bereich zwischen 50 bis 200. In einer vorteilhaften Ausführungsform
wird als Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid
abgeschieden. Auf diese Weise ergeben sich die oben schon beschriebenen
Vorteile.
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Beispielsweise
wird beim Bilden der Driftschicht von einer Vergleichs-Flächendotierung
N0.const von 6 × 1015 cm–3, einer Vergleichs-Schichtdicke
dEpi.const von 14 μm und einem
Vergleichs-Schichtwiderstand ρconst von etwa
1,75 mΩcm2 ausgegangen. Die Driftschicht
kann mit einem Gradienten-Parameter λ von 100 gebildet werden,
wobei die maximale Flächendotierung N0 4,2 × 1016 cm–3,
die minimale Flächendotierung der oberen Grenzschicht 4,2 × 1015 cm–3,
die Schichtdicke dEpi 11 μm und
der Schichtwiderstand ρ etwa 1,33 mΩcm2 beträgt. Eine derartige Driftschicht
ist für viele Ausführungsformen eines Halbleiter-Bauelements
vorteilhaft.
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Eine
mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellte
Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht) weist einen Durchlasswiderstand
auf, welcher geringer als der Durchlasswiderstand einer konstant
dotierten Epitaxieschicht ist. Dies ist vorteilhaft, obwohl die
elektrischen Eigenschaften eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere
eine Schaltbauelements, nicht ausschließlich durch die
Driftschicht definiert sind.
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Durch
die höhere Dotierung an der unteren Grenzfläche
steigt das elektrische Feld in diesem Bereich stärker an.
Innerhalb der Driftschicht ist das elektrische Feld in diesem Fall
etwas höher als bei einer entsprechenden Vergleichs-Driftschicht
mit einer konstanten Dotierung. Allerdings steigt das elektrische
Feld in einer Driftschicht mit einem λ ≠ 0 langsamer
an, so dass an der Oberfläche das maximale Feld Emax (maximale Feldstärke) nicht überschritten
wird. Anschaulich gesprochen wird das Potenzial, welches in der
konstanten Vergleichs-Driftschicht direkt an der unteren Grenzfläche
aufgenommen wird, bei der Driftschicht mit einem λ zwischen
10 bis 1000 in das Volumen der Driftschicht verlagert.
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Wie
Untersuchungen gezeigt haben, kann ein Halbleiter-Bauelement mit
der mittels der hier beschriebenen Technik gewonnenen Driftschicht
vorteilhaft eingesetzt werden.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement.
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In
einem optionalen Verfahrensschritt S1 des Herstellungsverfahrens
wird eine für ein epitaktisches Abscheiden eines Materials
einer Driftschicht verwendete Prozesskammer evakuiert und/oder gespült.
In einem gleichzeitig, zuvor oder danach ausgeführten Verfahrensschritt
S2 wird die Prozesskammer auf eine Wachstumstemperatur der Driftschicht
aufgeheizt. Da die in der Prozesskammer mittels des epitaktischen
Abscheidens hergestellte Driftschicht ein Wide-Bandgap-Material
umfasst, wird die Prozesskammer vorzugsweise auf relativ hohe Wachstumstemperatur
vorgeheizt. Sofern als Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid abgeschieden
werden soll, kann die Prozesskammer auf eine Wachstumstemperatur
von mindestens 1400°C aufgeheizt werden.
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Vor
einem Beginn des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht
können in einem optionalen Verfahrensschritt S3 ein Druck
in der Prozesskammer und/oder die Gasflüsse der Trägergase
eingestellt werden. Ebenso kann in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt
S4 eine Oberfläche, auf welcher die Driftschicht mittels
des epitaktischen Abscheidens gebildet wird, geätzt werden.
Die Bezeichnungen der Verfahrensschritte S1 bis S4 legen jedoch
keine zeitliche Reihenfolge zum Ausführen der Verfahrensschritte
fest.
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Zum
Starten des epitaktischen Abscheidens der Driftschicht werden in
einem Verfahrensschritt S5 die für das epitaktische Abscheiden
verwendeten reaktiven Gase zugeschaltet. Sofern die Driftschicht
aus einem Material gebildet wird, welches Siliziumkarbid und eine
Ladungsträger-Dotierung umfasst, werden als reaktive Gase
bevorzugt SiH4, C3H8 und ein Dotiergas verwendet. Als Dotiergas
können die aus dem Stand der Technik bekannten Dotiergase
für eine Ladungsträger-Dotierung verwendet werden.
Wenn die Driftschicht zusätzlich zu dem Siliziumkarbid
und der Ladungsträger-Dotierung noch ein weiteres Material
umfassen soll, wird ein für das Material verwendbares Dotiergas
ebenfalls zugeschaltet.
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Nach
dem Verfahrensschritt S5 wird in einem Verfahrensschritt S6 das
epitaktische Abscheiden der Driftschicht während einer
Wachstumsphase ausgeführt. Durch ein zeitliches Verändern
eines Gasflusses mindestens eines der verwendeten reaktiven Gase
wird während der Wachstumsphase eine Driftschicht abgeschieden,
welche eine kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht aufweist.
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Beispielsweise
wird während des Verfahrensschritts S6 die in dem Koordinatensystem
dargestellte Beziehung zwischen einem Zeitverlauf t und einem Dotiergasfluss
A eingehalten. Dabei entspricht die Abszisse des Koordinatensystems
dem Zeitverlauf t. Die Ordinate gibt den kontinuierlich (streng
monoton) fallenden Dotiergasfluss A wieder. Insbesondere kann der
Dotiergasfluss exponentiell abfallen.
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Die
Zeitdauer der Wachstumsphase, bzw. des Verfahrensschritts S6, kann
so gewählt werden, dass die Driftschicht mit einer Schichtdicke
gemäß der Gleichung (Gl 17) oder (Gl 27) gebildet
wird. Die die Schichtdicke der Driftschicht gemäß Gleichung
(Gl 17) oder (Gl 27) beträgt somit nur etwa 75% einer Vergleichs-Schichtdicke
einer konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht. Durch das Ausbilden
der Driftschicht mit einer reduzierten Schichtdicke gemäß der
Gleichung (Gl 17) oder (Gl 27) wird die Herstellung der Driftschicht günstiger.
Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Siliziumkarbid vorteilhaft.
Die reduzierte Schichtdicke bewirkt im Zusammenhang mit der kontinuierlich
fallenden Dotierkonzentration entlang der Wachstumsrichtung zusätzlich,
dass Schwankungen der Dotierung und/oder der Schichtdicke geringere
Auswirkungen auf die Sperrspannung der hergestellten Driftschicht
haben.
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Zu
Beginn des Verfahrensschritt S6 kann eine einem Substrat zugewandte
untere Grenzfläche der Driftschicht mit einer maximalen
Flächendotierung gemäß der Gleichung
(Gl 18) oder (Gl 28) gebildet werden. Des Weiteren kann über
eine geeignete Beziehung zwischen dem Zeitverlauf t und dem Dotiergasfluss
A eine Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang
der Wachstumsrichtung gemäß der Gleichung (Gl
29) ausgebildet werden. Bevorzugterweise liegt der Gradienten-Parameter
dabei in einem Bereich zwischen 10 bis 1000. Der Gradienten-Parameter
kann insbesondere in einem Bereich zwischen 50 bis 200 liegen.
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Eine
Driftschicht mit einer Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
gemäß der Gleichung (Gl 29) weist die Vorteile
einer vergleichsweise hohen Sperrspannung bei gleichzeitig relativ
geringen Durchlassverlusten auf. Somit eignet sich die über
das hier beschriebene Herstellungsverfahren gebildete Driftschicht
besonders gut für ein Halbleiter-Bauelement.
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Da
die vorteilhafte Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
gemäß Gleichung (Gl 29) über ein epitaktisches
Abscheiden von einem Wide-Bandgap-Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid
und/oder Galliumnitrid, bei einer vergleichsweise hohen Temperatur
eingestellt wird, ist eine nachträgliche Änderung
des Konzentrationsverlaufs durch eine Diffusion der Dotierstoffe
ausgeschlossen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der das Wide-Bandgap-Material
umfassenden Driftschicht gegenüber einer herkömmlichen
Driftschicht aus Silizium. Bei einer herkömmlichen Driftschicht
aus Silizium wird der Konzentrationsverlauf der Ladungsträger-Dotierung
in der Regel nach einem Herstellen der Silizium-Driftschicht durch
eine Diffusion der Ladungsträger-Dotierung durch nachfolgende
Prozesse verändert. Somit ist es bei einer Silizium-Driftschicht
kaum möglich, einen bevorzugten Konzentrationsverlauf der
Ladungsträger-Dotierung über einen längeren
Zeitraum zu nutzen. Mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens
ist dieses Problem lösbar.
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Das
hier beschriebene Herstellungsverfahren ist nicht auf ein Festlegen
der kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht durch ein Variieren
eines Gasflusses A des mindestens einen Dotiergasflusses A für
die Ladungsträger-Dotierung während des epitaktischen
Abscheidens des Materials der Driftschicht beschränkt.
Als Alternative oder als Ergänzung zu dem Variieren des
Dotiergasflusses A kann das Herstellungsverfahren auch einen Verfahrensschritt
enthalten, bei welchem die kontinuierlich fallende Konzentration
der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung
der Driftschicht über ein zusätzliches oder auch
ausschließliches Variieren eines Verhältnisses eines
ersten Teilmaterials des Wide-Bandgap-Materials und eines zweiten
Teilmaterials des Wide-Bandgap-Material ausgebildet wird. Beispielweise
kann die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung über
ein Variieren eines Verhältnisses aus Kohlenstoff und Silizium
während des epitaktischen Abscheidens des Materials der
Driftschicht ausgebildet werden.
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Das
epitaktische Abscheiden der Driftschicht, bzw. die Wachstumsphase,
wird über ein Abschalten der reaktiven Gase in einem Verfahrensschritt
S7 beendet. In einem optionalen Verfahrensschritt S8 kann ein Abkühlvorgang
der Prozesskammer eingeleitet werden. Anschließend kann
die Prozesskammer in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt
S9 mit einem Inertgas gespült werden. Ebenso kann in dem
Verfahrensschritt S9 ein Normaldruck in der Prozesskammer eingestellt
werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung.
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Die
in 3 schematisch dargestellte Halbleitervorrichtung 10 umfasst
ein Substrat 12 und ein als VJFET des Typs 1 ausgebildetes
Halbleiter-Bauelement. Das Substrat 12 weist eine vergleichsweise
hohe n-Dotierung auf. An einer Unterseite des Substrats 12 ist
ein Drain-Kontakt 14 ausgebildet. An einer der Unterseite gegenüber
liegenden Oberseite des Substrats 12 ist eine Driftschicht 16 des
VJFET ausgebildet.
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Die
Driftschicht 16 weist entlang einer Richtung 19 von
einer dem Substrat 12 zugewandten ersten Grenzfläche 18 zu
einer der ersten Grenzfläche 18 gegenüberliegenden
zweiten Grenzfläche 20 eine kontinuierlich fallende
Konzentration einer n-Ladungsträger-Dotierung auf. Die
mittlere Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung der
Driftschicht 16 liegt vorzugsweise unter der mittleren
Konzentration der n-Dotierung des Substrats 12.
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Die
Driftschicht 16 umfasst zumindest ein Wide-Bandgap-Material
und die n-Ladungsträger-Dotierung. Vorzugsweise ist die
Driftschicht 16 aus dem Wide-Bandgap-Material und der n-Ladungsträger-Dotierung
gebildet. Ein bevorzugtes Wide-Bandgap-Material ist Siliziumkarbid
und/oder Galliumnitrid. Durch die Verwendung von Siliziumkarbid
in der Driftschicht 16 kann eine bevorzugte Ladungsträger-Dotierung
auf einfache Weise realisiert und verlässlich während
eines Betriebs der Halbleitervorrichtung 10 eingehalten
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform entspricht eine mittlere
Schichtdicke der Driftschicht 16 der Gleichung (GL 17).
Vorteilhaft ist es auch, wenn die mittlere Schichtdicke der Driftschicht 16 der
Gleichung (GL 27) entspricht. Die Driftschicht 16 ist somit
mit einer vergleichsweise niedrigen mittleren Schichtdicke herstellbar.
Dies reduziert die Kosten für die Herstellung der Driftschicht 16.
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Die
maximale Flächendotierung an der ersten Grenzfläche 18 der
Driftschicht 16 kann gemäß der Gleichung
(GL 18) sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
kann die maximale Flächendotierung auch gemäß der
Gleichung (GL 28) sein. Entsprechend kann die Driftschicht 16 als
kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
eine Konzentration gemäß der Gleichung (GL 29)
aufweisen. Der Gradienten-Parameter λ, welcher in den Gleichungen
(Gl 17), (Gl 18), (GL 28) und (GL 29) auftritt, kann in einem Bereich
zwischen 10 bis 1000 liegen. Vorzugsweise liegt der Gradientenparameter
in einem Bereich zwischen 50 bis 200.
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Die
Driftschicht 16 kann mittels eines Herstellungsverfahrens
gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen
gebildet werden. Dabei können auch Verfahrensschritte der
einzelnen Ausführungsformen zu einer weiteren Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens kombiniert werden.
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Auf
einer dem Substrat 12 gegenüberliegenden Seite
der Driftschicht 16 sind p-dotierte und n-dotierte Bereiche 22 und 24 ausgebildet.
Die p-dotierten Bereiche 22 sind über jeweils
einen zugehörigen Gate-Kontakt 26 kontaktierbar.
Entsprechend sind die n-dotierten Bereiche 24 über
jeweils einen Source-Kontakt 28 kontaktierbar. Da Verfahren
zum Herstellen der Komponenten 22 bis 28 und die
Funktionsweise der Halbleitervorrichtung 10 aus dem Stand
der Technik bekannt sind, wird hier nicht darauf eingegangen. Es
wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren zum
Bilden der Driftschicht auf einfache Weise in das Gesamt-Herstellungsverfahren
der der Halbleitervorrichtung 10 aus den Komponenten 12 bis 16 und 22 bis 28 integrierbar
ist.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung.
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Die
dargestellte Halbleitervorrichtung 30 weist ein als VJFET
des Typs 2 ausgebildetes Halbleiter-Bauelement auf. Das
Substrat 12 der Halbleitervorrichtung 30 umfasst
vorzugsweise 4H-SiC. Auch die Driftschicht 16 kann dieses
Material (4H-SiC) umfassen. Insbesondere umfasst die Driftschicht 16 das
Wide-Bandgap-Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid und/oder
Galliumnitrid, und die n-Ladungsträger-Dotierung. Die Driftschicht
weist eine kontinuierlich fallende Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung
entlang der Richtung 19 von der dem Substratbereich zugewandten
ersten Grenzfläche 18 zu der der ersten Grenzfläche 18 gegenüberliegenden
zweiten Grenzfläche 20 auf. In einer bevorzugten
Ausführungsform hat die Driftschicht 16 die Eigenschaften
gemäß der Gleichungen (GL 17), (Gl 18) und (GL
29). Vorteilhafterweise kann die Driftschicht 16 auch den
Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und (GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter λ,
welcher in den Gleichungen (Gl 17), (Gl 18), (GL 28) und (GL 29)
auftritt, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegen.
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Somit
ist die Halbleitervorrichtung 30 im Vergleich mit einem
herkömmlichen VJFET des Typs 2 kostengünstiger
herstellbar. Zu dem Kostenvorteil kann dabei auch der vorteilhaftere
Schichtwiderstand beitragen. Aufgrund des vorteilhaften Schichtwiderstands
kann die aktive Fläche kleiner gewählt werden,
wodurch die Kosten pro Bauelement sinken.
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Ebenso
ist die Halbleitervorrichtung 30 auf einfache Weise so
realisierbar, dass ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales (elektrisches)
Feld der Driftschicht 16 und eine vorgegebene/bevorzugte
Durchbruchspannung der Driftschicht 16 gewährleistet
ist.
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Die
weiteren Komponenten 12 und 22–24 der
Halbleitervorrichtung 30 korrespondieren zu der bereits beschriebenen
Ausführungsform der 3. Auf eine
erneute Beschreibung wird deshalb hier verzichtet.
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Als
Alternative zu den Halbleitervorrichtungen 10 und 30 mit
einer n-dotierten Driftschicht 16 sind auch entsprechende
Ausführungsformen mit einer p-dotierten Driftschicht realisierbar.
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5A und 5B zeigen
schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung.
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Dabei
zeigt jede der beiden 5A und 5B jeweils
eine Halbzelle eines MOSFET. In 5A ist eine
als DMOS ausgebildete Halbzelle 40 dargestellt. 5B zeigt
eine als UMOS ausgebildete Halbzelle 42. Jede der beiden
Halbzellen 40 und 42 weist eine Driftschicht 16 auf,
welche zumindest aus einem Wide-Bandgap-Material und einer n-Ladungsträger-Dotierung
gebildet ist. Vorzugsweise ist das Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid
und/oder Galliumnitrid. Jede der beiden Driftschichten 16 hat
entlang einer Richtung 19 von der dem Substrat 12 zugewandten
ersten Grenzfläche 18 zu der zweiten Grenzfläche 20 eine
kontinuierlich fallende Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung.
Die Parameter einer jeder Driftschicht 16 können
gemäß den Gleichungen (GL 17), (GL 18) und (GL
29) festgelegt sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform
können die Parameter einer jeder Driftschicht 16 auch
den Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und (GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter λ,
welcher in den Gleichungen (Gl 17), (Gl 18), (GL 28) und (GL 29)
auftritt, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegen.
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Zum
Herstellen der Halbzellen 40 und/oder 42 kann
eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens
oder eine Kombination aus diesen verwendet werden. Die Verfahrensschritte
zum Herstellen der jeweiligen Driftschicht 16 lassen sich
auf einfache Weise in das Gesamt-Herstellungsverfahren, bei welchem
zusätzlich zu den Driftschichten 16 die Kontakte 14, 26 und 28,
die p-dotierten Schichten 44 und 46, die n-dotierten
Schichten 48 und die isolierenden Schichten 50 gebildet
werden, anwenden. Auf ein mögliches Gesamt-Herstellungsverfahren
zum Herstellen mindestens einer der beiden Halbzellen 40 oder 42 wird deshalb
hier nicht weiter eingegangen. Außerdem können über
ein korrespondierendes Gesamt-Herstellungsverfahren Halbzellen mit
einer p-dotierten Driftschicht gebildet werden.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
der Halbleitervorrichtung.
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Die
dargestellte Halbleitervorrichtung 60 ist als Schottky-Diode
ausgebildet. An einer Unterseite des Substrats 12 ist ein
lötbarer Rückseitenkontakt 62 angeordnet.
Die Oberseite des Substrats 12 ist zumindest teilweise
von einer Feld-Stopp-Schicht 64 abgedeckt. Auf der Feld-Stopp-Schicht 64 ist
eine n-dotierte Driftschicht 16 aus einem Wide-Bandgap-Material,
wie beispielsweise Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid, und einer
n-Ladungsträger-Dotierung ausgebildet. Die Driftschicht 16 kann
zusätzlich zu dem Wide-Bandgap-Material und der n-Ladungsträger-Dotierung
noch mindestens ein weiteres Material umfassen.
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Die
Driftschicht 16 weist entlang der Richtung 19 von
der ersten Grenzfläche 18 zu der zweiten Grenzfläche 20 die
kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung
auf. Vorzugsweise erfüllen die Parameter der Driftschicht 16 mindestens
eine der Gleichungen (GL 17), (GL 18) und (GL 29). In einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform können die Parameter einer jeder
Driftschicht 16 auch den Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und
(GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter kann dabei zwischen
10 bis 1000 liegen. Bevorzugter Weise liegt der Gradienten-Parameter
in einem Bereich zwischen 50 bis 200.
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An
einer der Feld-Stopp-Schicht 64 gegenüberliegenden
Seite der Driftschicht 16 sind ein Schottky-Kontakt 66 und
JTE-Bereiche 68 ausgebildet. Der Schottky-Kontakt 66,
welcher von einer Aluminiumschicht 70 abgedeckt wird, verbindet
die beiden JTE-Bereiche 68 miteinander. Die von den Komponenten 66 und 70 nicht
abgedeckten Oberflächen der JTE-Bereiche 68 werden
von Passivierungen 72 überdeckt. Der Schottky-Kontakt 66 ist
somit als bondbarer Vorderseitenkontakt ausgebildet.
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Ein
Herstellungsverfahren für die Driftschicht 16 lässt
sich auf einfache Weise in das Herstellungsverfahren für
die in 6 dargestellte Halbleitervorrichtung 60 integrieren.
Dabei ergeben sich für die Schottky-Diode die oben schon
beschriebenen Vorteile. Auf eine Funktionsweise der Schottky-Diode
wird deshalb hier nicht eingegangen. Ebenso lässt sich
mittels eines entsprechend abgewandelten Herstellungsverfahrens
eine Schottky-Diode mit einer vorteilhaften p-dotierten Driftschicht
herstellen.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Dotiergasfluss
- dEpi
- Schichtdicke
- Emax
- maximales
Feld Gradienten-Parameter
- Nmax
- maximale
Flächendotierung
- Nmin
- minimale
Flächendotierung
- ρ
- Schichtwiderstand
- S1
bis S9
- Verfahrensschritt
- t
- Zeitverlauf
- VBr
- Durchbruchspannung
- 10
- Halbleitervorrichtung
- 12
- Substrat
- 14
- Drain-Kontakt
- 16
- Driftschicht
- 18
und 20
- Grenzflächen
- 19
- Richtung
- 22
- p-dotierte
Bereiche
- 24
- n-dotierte
Bereiche
- 26
- Gate-Kontakt
- 28
- Source-Kontakt
- 30
- Halbleitervorrichtung
- 40
und 42
- Halbzellen
- 44
und 46
- p-dotierte
Schichten
- 48
- n-dotierte
Schichten
- 50
- isolierende
Schichten
- 60
- Halbleitervorrichtung
- 62
- Rückseitenkontakt
- 64
- Feld-Stopp-Schicht
- 66
- Schottky-Kontakt
- 68
- JTE-Bereiche
- 70
- Aluminiumschicht
- 72
- Passivierungen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”Optimum
Doping Profile for Minimum Ohmic Resistance and High-Breakdown Voltage” (IEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-26, NO. 3, MARCH 1979) [0003]