DE102010030180A1

DE102010030180A1 - Transistorbauelement mit einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht

Info

Publication number: DE102010030180A1
Application number: DE102010030180A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Schmidt
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: US20100320536A1; DE102010030180B4; CN101931006B; CN101931006A; US8735981B2

Abstract

Beschrieben wird ein Transistorbauelement, das eine Steuerstruktur mit einer Kanalsteuerschicht aus einem amorphen semiisolierenden Material, die sich in Stromflussrichtung entlang einer Kanalzone erstreckt, aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transistorbauelement, insbesondere einen Feldeffekttransistor.
MOS-Transistoren, wie MOSFET oder IGBT, umfassen eine Steuerstruktur, durch welche das Bauelement steuerbar, insbesondere ein- und ausschaltbar ist. Diese Steuerstruktur umfasst eine Gateelektrode, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und die durch eine Dielektrikumsschicht, dem sogenannten Gatedielektrikum, dielektrisch gegenüber einer Bodyzone des MOS-Transistors isoliert ist. Die Bodyzone ist zwischen einer Sourcezone und einer Drainzone (die bei einem IGBT auch als Emitterzone und Kollektorzone bezeichnet werden) angeordnet, wobei bei Leistungs-MOS-Transistoren zwischen der Drainzone und der Bodyzone eine im Vergleich zu der Drainzone niedrig dotierte Driftzone angeordnet ist.
Die Gateelektrode dient zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone entlang des Gatedielektrikums. Je nach Bauelement ist dieser Kanal ein Akkumulations- oder ein Inversionskanal. Eine Steuerung des MOS-Transistors erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Potenzials (Gatepotenzial) an die Gateelektrode bzw. einer elektrischen Spannung (Gatespannung) zwischen der Gateelektrode und der Sourcezone. Der Betrag der Gatespannung, die anzulegen ist, um einen leitenden Kanal in der Bodyzone auszubilden und die Polung dieser Gatespannung, ist von der Art des Transistors abhängig.
Insbesondere bei Leistungsbauelementen, die eine Spannungsfestigkeit von einigen 100 V bis zu einigen kV besitzen können, kann eine erhebliche Spannung über dem Gatedielektrikum anliegen, wenn das Bauelement sperrt oder abgeschaltet wird.
Die dielektrische Festigkeit dieser Gatedielektrikumsschicht beeinflusst dabei die Spannungsfestigkeit des gesamten Bauelements. Grundsätzlich kann die Festigkeit der Gatedielektrikumsschicht erhöht werden, indem deren Schichtdicke erhöht wird. Allerdings werden mit zunehmender Schichtdicke höhere Gatespannungen zur Steuerung des Bauelements benötigt.
Die Gatedielektrikumsschicht besteht beispielsweise aus einem Halbleiteroxid, wie z. B. aus Siliziumoxid bei einem Siliziumbauelement. Bei Feldstärken, die oberhalb von etwa 6 MV/cm liegen, setzt ein Fowler-Nordheim-Tunnelstrom über die Oxidschicht ein. Die Durchbruchsfeldstärke beträgt etwa 10 MV. Im Praxisbetrieb eines Bauelements sollten Feldstärken über 4 MV/cm vermieden werden, um eine Degradation zu verhindern. Diese maximal zulässige Feldstärke begrenzt somit die zulässige Gatespannung und damit die Ladungsdichte, die sich im leitenden Kanal entlang des Gatedielektrikums in der Bodyzone einstellen lässt.
Das Gatedielektrikum kann außerdem durch einen temperaturbedingten mechanischen Spannungsstress, durch Höhenstrahlung oder durch Injektion heißer Ladungsträger, wobei letztere beispielsweise bei einem Avalanche-Durchbruch eines MOSFET auftreten, degradieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Transistorbauelement zur Verfügung zu stellen, das mit einer hohen Spannungsfestigkeit realisiert werden kann und das robust gegenüber Degradationseffekten ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Transistorbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Aspekt der vorliegenden Beschreibung betrifft ein Transistorbauelement, das aufweist: eine erste und eine zweite Anschlusszone, die beabstandet zueinander angeordnet sind; eine Steuerstruktur mit einer Kanalzone eines ersten Leitungstyps, die zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone angeordnet ist, eine Kanalsteuerschicht aus einem amorphen semiisolierenden Material, die sich in einer Stromflussrichtung entlang der Kanalzone erstreckt, und einer Steuerelektrode.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper ein Transistorbauelement mit einer Steuerstruktur gemäß einem ersten Beispiel, die eine amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht aufweist.
2 veranschaulicht anhand eines Bänderschemas die Funktionsweise der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht.
3 veranschaulicht das elektrische Ersatzschaltbild für die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht und den Übergang von der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht auf die Kanalzone.
4 veranschaulicht ein Beispiel eines lateralen Leistungs-Transistorbauelements.
5 bis 7 veranschaulichen die Funktionsweise eines Bauelements gemäß 4 anhand von Kennlinien.
8 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines vertikalen Leistungs-Transistorbauelements.
9 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines vertikalen Leistungs-Transistorbauelements.
10 zeigt schematisch ein vertikales Transistorbauelement mit hexagonalen Transistorzellen.
11 zeigt schematisch ein vertikales Transistorbauelement mit rechteckförmigen Transistorzellen.
12 zeigt schematisch ein vertikales Transistorbauelement mit streifenförmigen Transistorzellen.
13 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines lateralen Transistorbauelements.
14 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper ein Transistorbauelement mit einer Steuerstruktur gemäß einem zweiten Beispiel, die eine amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht aufweist.
15 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines lateralen Leistungs-Transistorbauelements mit einer Steuerstruktur gemäß dem zweiten Beispiel.
16 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines lateralen Leistungs-Transistorbauelements mit einer Steuerstruktur gemäß dem zweiten Beispiel.
17 veranschaulicht ein drittes Beispiel eines lateralen Leistungs-Transistorbauelements mit einer Steuerstruktur gemäß dem zweiten Beispiel.
18 veranschaulicht ein Beispiel eines vertikalen Leistungs-Transistorbauelements mit einer Steuerstruktur gemäß dem zweiten Beispiel.
19 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements gemäß 18.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Beschreibung betrifft Konzepte für eine Steuerstruktur eines Transistorbauelements. Dieses Konzept ist auf eine Vielzahl unterschiedlicher Bauelemente anwendbar, die im weiteren noch erläutert werden. Anhand der 1 und 2 wird zunächst ein erstes Konzept erläutert.
Zur Erläuterung dieses Konzepts wird bezugnehmend auf 1 ein Transistorbauelement betrachtet, das eine erste und eine zweite Anschlusszone 11, 21 und eine Steuerstruktur 30. Die Steuerstruktur 30 umfasst eine Kanalzone 31, die zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone 11, 21 angeordnet ist, eine Kanalsteuerschicht 32, die sich in einer Stromflussrichtung entlang der Kanalzone 31 erstreckt, und eine Steuerelektrode 33.
Die Steuerstruktur dient zur Steuerung eines elektrisch leitenden Kanals, insbesondere eines Inversionskanals zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone 11, 21, wobei das Bauelement leitet oder eingeschaltet ist, wenn ein solcher leitender Kanal vorhanden ist, und sperrt oder ist ausgeschaltet ist, wenn ein solcher leitender Kanal nicht vorhanden ist. Die Stromflussrichtung entspricht der Richtung, in der bei leitendem Bauelement ein Strom zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone 11, 21 durch die Kanalzone 31 fließen kann. Die Stromflussrichtung ist dabei abhängig von der Anordnung der ersten und der zweiten Anschlusszone 11, 21 in einem Halbleiterkörper 100. Bei dem in 1 dargestellten Bauelement sind die erste und die zweite Anschlusszone 11, 20 beispielsweise in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet zueinander angeordnet, so dass die Stromflussrichtung einer lateralen Richtung das Halbleiterkörpers 100 entspricht.
Die Kanalsteuerschicht 32 ist bei dem dargestellten Bauelement zwischen der Kanalzone 31 und der Steuerelektrode 33 angeordnet, wobei die Kanalsteuerschicht 32 unmittelbar die Kanalzone 31 und die Steuerelektrode 33 unmittelbar die Kanalsteuerschicht 32 kontaktieren kann. Die Steuerelektrode 33 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Dieses Material ist beispielsweise ein Metall, wie z. B. Aluminium, Titan oder Kupfer, eine Metalllegierung, wie z. B. eine Aluminium-Silizium-Kupfer-Legierung, oder eine mehrschichtige Metallstruktur, wie z. B. mit Schichten aus Titan, Platin und Gold, oder ein hochdotiertes polykristallines Halbleitermaterial, wie z. B. Polysilizium.
Die Kanalsteuerschicht 32 besteht aus einem amorphen semiisolierenden Material. Semiisolierende amorphe Materialien sind grundsätzlich bekannt. Beispiele für solche Materialien sind amorphes Silizium (aSi) das undotiert oder mit Wasserstoff dotiert sein kann (aSi:H), amorphes Siliziumkarbid (aSi_1-xC_x) das undotiert oder mit Wasserstoff dotiert sein kann (aSi_1-xC_x:H), diamantartiger Kohlenstoff (Diamond Like Carbon, DLC), der undotiert oder mit Wasserstoff, Silizium oder Stickstoff dotiert sein kann, oder semiisolierendes Polysilizium (SIPOS). Weitere Beispiele für amorphe semiisolierende Schichten sind metalldotierte Kohlenstoffschichten, die zusätzlich Wasserstoff enthalten können. Weitere geeignete Dotierstoffe für amorphe semiisolierende Schichten sind beispielsweise Fluor (F), Sauerstoff (O), Bor (B), etc.
Schichten aus solchen semiisolierenden amorphen Materialien lassen sich beispielsweise durch Aufdampfen oder durch Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition, CVD) herstellen. Reine DLC-Schichten, mit Silizium dotierte DLC- Schichten oder amorphe SiC-Schichten lassen sich beispielsweise durch eine plasmagestützte CVD-Abscheidung aus Precursorgasen, wie z. B. Silan oder Methan, abscheiden. Eine mit Silizium dotierte DLC-Schicht umfasst wie eine amorphe Si_1-xC_x-Schicht Kohlenstoff und Silizium als chemische Elemente, wobei eine DLC-Schicht sich durch eine diamantartige Grundstruktur auszeichnet, die durch geeignete Wahl der Abscheidebedingungen erreicht werden kann.
Über die Gasflüsse der Precursoren lässt sich beispielsweise in einer DLC-Schicht die Siliziumdotierung oder in einer amorphen Si_1-xC_x-Schicht das Mischungsverhältnis x zwischen Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) einstellen. Die Kanalsteuerschicht 32 ist insbesondere eine amorphe Si_1-xC_x-Schicht mit einem gegenüber dem Si-Anteil höheren C-Anteil, d. h. beispielsweise eine amorphe Si_1-xC_x-Schicht mit x > 0,6.
Die Kanalsteuerschicht 32 ist außerdem beispielsweise so gewählt, dass deren spezifischer Widerstand im Bereich von etwa 10¹² Ωcm, d. h. zwischen 10¹¹ Ωcm und 10¹³ Ωcm liegt. Diese Angaben gelten für den Fall, dass keine hohe Spannung – z. B. im Bereich von wenigen Volt – an der Kanalsteuerschicht 32 anliegt. Wie nachfolgend noch erläutert wird, ist der spezifische Widerstand einer amorphen semiisolierenden Schicht aufgrund einer bei höheren Feldstärken einsetzenden Poole-Frenkel-Emission von der in der amorphen semiisolierenden Schicht vorhandenen Feldstärke abhängig.
Eine Schichtdicke der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht liegt beispielsweise im Bereich zwischen 50 nm und 1000 nm, insbesondere zwischen 100 nm und 500 nm.
Anstelle einer amorphen Schicht kann als Kanalsteuerschicht 21 bei dem Bauelement gemäß 1 und auch bei allen übrigen nachfolgend noch erläuterten Bauelementen auch eine nanokristalline Schicht wie zum Beispiel eine Schicht aus dotiertem oder undotiertem nanokristallinen Silizium (NCSi), aus dotiertem oder undotiertem nanokristallinen Siliziumkarbid (NCSiC) oder aus nanokristallinem Diamant (NCD) vorgesehen sein. Nanokristallines Material unterscheidet sich von amorphem Material dadurch, dass in nanokristallinem Material noch Kristallstrukturen mit einer Korngröße von bis zu 15 nm vorhanden sind.
Eine semiisolierende Schicht ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung eine Schicht mit einem
Um eine gute elektrische Anbindung der Kanalsteuerschicht 32 an die Kanalzone 31 zu erhalten, kann die Kontaktfläche, das ist die Fläche der Kanalzone 31, auf die die amorphe Schicht aufgebracht wird, vorher gereinigt werden. Hierzu eignet sich beispielsweise eine Plasmaätzung, z. B. unter Verwendung von Fluorionen, oder ein Absputtern der Fläche mit Edelgasionen.
Die Austrittsarbeit der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und der Dotierungstyp und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich in der Kanalzone 31 entlang der Kanalsteuerschicht 32 gesteuert durch die Steuerelektrode 33 ein Inversionskanal ausbilden kann. Die Austrittsarbeit einer amorphen semiisolierenden Schicht lässt sich bekanntlich durch die Wahl der Abscheidebedingungen, wie z. B. Arbeitsdruck, HF-Leistung bei der Abscheidung, Gasflussmenge, Zusammensetzung, sowie das sich aus der Kammergeometrie ergebende Plasmapotenzial (Self-Bias), bei der Herstellung und durch deren Dotierung einstellen. Diese Austrittsarbeit bestimmt – wie nachfolgend noch erläutert werden wird – die Eignung der Kanalsteuerschicht 32 zusammen mit der Steuerelektrode 33, einen Inversionskanal in der Kanalzone 31 entlang der Kanalsteuerschicht 32 hervorzurufen.
Der spezifische Widerstand der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht ist ebenfalls über die Abscheidebedingungen einstellbar. So lässt sich der spezifische Widerstand bei spielsweise durch Verringern der HF-Leistung, was zu einem verringerten Self-Bias führt, erhöhen. Der spezifische Widerstand ist außerdem von der Zusammensetzung abhängig. Bei einer amorphen Si_1-xC_x-Schicht nimmt der spezifische Widerstand beispielsweise mit zunehmendem Si-Anteil zu.
Wie nachfolgend erläutert wird, können die Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 so aufeinander abgestimmt werden, dass sich bereits aufgrund des Vorhandenseins der Kanalsteuerschicht 32 entlang der Kanalzone ein Inversionskanal in der Kanalzone 31 ausbildet, ohne dass hierfür die Steuerelektrode 33 erforderlich ist. Der Inversionskanal eines solchen Bauelements ohne Steuerelektrode ist allerdings nicht steuerbar. Die Möglichkeit zur Steuerung des Bauelements wird durch die Steuerelektrode erreicht. Bei einem selbstleitenden Bauelement, d. h. einem Bauelement mit ”normally on”-Verhalten sind die Austrittsarbeit der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 so aufeinander abgestimmt, dass sich bei einer Steuerspannung von 0 V zwischen der Steuerelektrode 33 und der Kanalzone 31 ein Inversionskanal ausbildet. Bei einem selbstsperrenden Bauelement, d. h. einem Bauelement mit ”normally off”-Verhalten sind die Austrittsarbeit der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 so aufeinander abgestimmt, dass sich erst bei einer Steuerspannung mit einem Betrag größer als Null ein Inversionskanal ausbildet.
Zum besseren Verständnis seien zunächst die Mechanismen näher betrachtet, die zur Ausbildung eines durch die Kanalsteuerschicht 32 induzierten Inversionskanals in der Kanalzone 31 führen. Für diese Betrachtung sei zunächst angenommen, dass kein Einfluss der Steuerelektrode 33 vorhanden ist, dass die Ansteuerspannung also Null ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die nachfolgenden Ausführungen unabhängig vom verwendeten Halbleitermaterial gelten, diese Ausführungen gelten also für Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Silizi umkarbid (SiC) oder ein beliebiges anderes Halbleitermaterial.
Es sei zunächst der Fall betrachtet, dass sich ein allein durch die Kanalsteuerschicht 32 induzierter Inversionskanal in einer entweder p-dotierten oder n-dotierten Kanalzone ausbilden soll. In einer p-dotierten Kanalzone 30 ist der Inversionskanal ein Elektronenkanal (n-Kanal) und in einer n-dotierten Kanalzone 30 ist der Inversionskanal ein Löcherkanal (p-Kanal). Zur Ausbildung eines Inversionskanals in einer p-dotierten Kanalzone 31 muss ein Oberflächenpotenzial bzw. Kontaktpotenzial vorhanden sein, für das mindestens gilt:
(vgl. Sze: "Semiconductor Devices", 2nd edition, John Wiley and Sons, 2002, Seite 175). Hierbei bezeichnet k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung, N_A die Akzeptorkonzentration (p-Dotierung) und n_i die intrinsische Konzentration. Entsprechend muss in einer n-dotierten Driftzone zur Ausbildung eines Inversionskanals ein Oberflächenpotenzial vorhanden sein, für das mindestens gilt:
N_D bezeichnet hierbei die Donatorkonzentration in der Driftzone.
Die sogenannte Barrierenhöhe (barrier height) qΦ_Bp eines p-dotierten Halbleitermaterials ist die Summe aus dem Kontaktpotenzial und dem Abstand E_F – E_V zwischen dem Ferminiveau E_F und dem Energieniveau E_V des Valenzbandes, so dass gilt: qΦBp = qψs + EF – EV (2a)
Entsprechend ist bei einem n-dotierten Halbleitermaterial die Barrierenhöhe qΦ_Bn die Summe aus dem Kontaktpotenzial qψ_s und dem Abstand E_C – E_F zwischen dem Energieniveau E_C des Leitungsbands und dem Ferminiveau E_F, so dass gilt: gΦBn = gψs + EC – EF (2b)
ψ_s bezeichnet in den Gleichungen (2a) und (2b) allgemein das Oberflächenpotenzial. Diese Gleichungen gelten unabhängig für alle Oberflächenpotenziale. Die Barrierenhöhe für den Einsatz der starken Inversion erhält man, wenn man ψ_s in den Gleichungen (2a) und (2b) gleich den Oberflächenpotenzialen ψ_s(inv) gemäß der Gleichungen (1a) und (1b) setzt.
Der Abstand E_F – E_V zwischen dem Ferminiveau und dem Energieniveau des Valenzbands bzw. der Valenzbandkante in einem p-dotierten Halbleitermaterial und der Abstand E_C – E_F zwischen dem Energieniveau des Leitungsband und dem Ferminiveau in einem n-dotierten Halbleitermaterial ist jeweils abhängig von der Akzeptorkonzentration N_A bzw. der Donatorkonzentration N_D. Für diese Abstände gilt
(vgl. Sze, a. a. O, Seite 39) Hierbei bezeichnen N_C die effektive (äquivalente) Zustandsdichte im Leitungsband und N_V die effektive (äquivalente) Zustandsdichte im Valenzband. Diese Zustandsdichten sind Materialkonstanten und sind abhängig von der Art des Halbleitermaterials. Für Silizium gilt beispielsweise: N_V = 2,66·10¹⁹ cm^–3 und N_C = 2,86·10¹⁹ cm^–3 (vgl. Sze, a. a. O., Seite 538).
Durch Hochfrequenzmessungen der Sperrschichtkapazität eines Systems mit einer amorphen semiisolierenden Schicht und einer kristallinen Halbleiterschicht lässt sich zeigen, dass sich der amorph-kristalline Heteroübergang zwischen der amorphen semiisolierenden Schicht und der daran angrenzenden Halbleiterschicht, wie ein Schottkyübergang verhält. Für die Barrierenhöhe eines solchen Schottkyübergangs auf ein p-dotiertes Halbleitermaterial gilt: qΦBp = Eg – q(Φm – χ) (4a)
Für die Barrierenhöhe eines solchen Schottkyübergangs auf ein n-dotiertes Halbleitermaterial gilt entsprechend: qΦBn = q(Φm – χ) (4b)(vgl. Sze, a. a. O., Seite 226). Dabei bezeichnet E_g den Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials, χ die Elektronenaffinität und qΦ_m die Austrittsarbeit des verwendeten Schottkymetalls. Der Bandabstand E_g und die Elektronenaffinität χ sind Materialkonstanten. Für Silizium als Halbleitermaterial gilt beispielsweise E_g = 1,12 eV und qχ = 4,05 eV, für Galliumarsenid (GaAs) gilt E_g = 1,42 eV und qχ = 4,07 eV, und für Siliziumkarbid (SiC) des 6H-Polytyps gilt E_g = 3,05 eV und qχ = 3,77 eV.
Wendet man die Gleichungen (4a) und (4b) auf einen amorph-kristallinen Heteroübergang an, bei dem anstelle eines Schottkymetalls ein amorphes Material mit einer Austrittsarbeit qΦ_a die Kanalzone 31 kontaktiert, so gilt für die Barrierenhöhen entsprechend: qΦBp = Eg – q(Φa – χ) (5a) qΦBn = q(Φa – χ) (5b)
Anhand der Gleichungen (2a) und (2b), die in Verbindung mit den Gleichungen (1a) und (1b) eine für das Einsetzen einer Inversion erforderliche Barrierenhöhe definiert, und anhand der Gleichungen (5a) und (5b) erhält man als Bedingung für die Austrittsarbeit qΦ_a der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht, die vorhanden sein muss, dass sich eine Inversionsschicht ausbildet: qΦa ≤ Eg + qχ – qψs(inv) – (EF – EV) (6a) qΦa ≥ qχ – qψs(inv) + (EC – EF) (6b)
Gleichung (6a) gilt für eine p-dotierte Driftzone, bezeichnet also die notwendige Austrittsarbeit des amorphen Materials der Kanalsteuerschicht 32 für die Ausbildung eines n-Kanals in einer p-dotierten Driftzone, und Gleichung (6b) gilt für eine n-dotierte Kanalzone 31, bezeichnet also die notwendige Austrittsarbeit des amorphen Materials des Kanalsteuerschicht 32 für die Ausbildung eines p-Kanals in einer n-dotierten Kanalzone.
Die in den Gleichungen (6a) und (6b) angegebenen Oberflächenpotenziale und Energieabstände sind bezugnehmend auf die Gleichungen (1a) und (1b) sowie (3a) und (3b) temperaturabhängig. Die Austrittsarbeit qΦ_a ist dabei so gewählt, dass die Bedingungen gemäß der Gleichungen (6a), (6b), (7a) oder (7b) zumindest für den Temperaturbereich gelten, für den das Bauelement spezifiziert ist. Dieser Temperaturbereich liegt beispielsweise zwischen 225 K und 425 K.
Als Beispiel sei p-dotiertes Silizium als Material für die Kanalzone betrachtet, das eine Akzeptorkonzentration N_A von 1·10¹⁷ cm^–3 aufweist. Die nachfolgenden Werte gelten jeweils für Raumtemperatur (ca. 300 K). Das für eine Inversion notwendige Kontaktpotenzial beträgt in diesem Fall gemäß Gleichung (1a) ψ_s(inv) = 0,82 V. Der Abstand zwischen dem Leitungsband und Valenzband beträgt in diesem Fall E_F – E_V = 0,12 eV, woraus gemäß Gleichung (2a) eine mindestens zu erreichende Barrierenhöhe von 0,94 eV resultiert. Für eine höhere Dotierungskonzentration N_A von ca. 10¹⁸ cm^–3 wird ein höheres Kontaktpotenzial ψ_s = 0,93 V für den Einsatz einer starken Inversion benötigt. Der Abstand E_F – E_V verringert sich hingegen auf etwa 0,07 eV, woraus insgesamt eine Barrierenhöhe von etwa 1,0 eV resultiert.
Die gemäß Gleichung (5a) mittels der Austrittsarbeit einzustellende Barrierenhöhe muss für das erste Beispiel also mindestens 0,94 eV und für das zweite Beispiel also mindestens 1,0 eV betragen, damit sich bereits durch bloßes Vorhandensein der Kanalsteuerschicht 21 ein Inversionskanal in der Kanalzone 31 ausbildet.
Bei GaAs (mit einem Bandabstand von E_g = 1,42 eV, einer Elektronenaffinität von 4,07 eV, einer intrinsische Konzentration von 1,8·10⁶ cm^–3 und einer äquivalenten Zustandsdichte N_V an der Valenzbandkante von 7·10¹⁸ cm^–3) als Material für die Driftzone erhält man für eine Akzeptorkonzentration N_A = 1·10¹⁵ cm^–3 der Kanalzone 31 eine Barrierenhöhe für den Einsatz der starken Inversion von qΦ_Bp = 1,28 eV. Die erforderliche Austrittsarbeit gemäß Gleichung (6a) beträgt 4,21 eV oder weniger.
Bei SiC des Polytyps 6H (mit einem Bandabstand von 3,05 eV, einer Elektronenaffinität von 3,77 eV, einer intrinsischen Konzentration von 1,6·10^–6 cm^–3 und einer äquivalenter Zustandsdichte N_V an der Valenzbandkante von 2,5·10¹⁹ cm^–3) als Material für die Kanalzone 31 erhält man für eine Akzeptorkonzentration N_A = 1·10¹⁵ cm^–3 der Kanalzone eine Barrierenhöhe für den Einsatz der starken Inversion von qΦ_Bp = 2,75 eV. Die erforderliche Austrittsarbeit gemäß Gleichung (6a) beträgt 4,07 eV oder weniger.
Eine als amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 21 geeignete Schicht ist beispielsweise eine amorphe DLC-Schicht die durch HF-Abscheidung bei einer Frequenz von etwa 13,56 MHz in einem kapazitiv gekoppelten Parallelplattenreaktor abgeschieden wird. Als erstes Precursorgas für den Kohlenstoff der DLC-Schicht wird beispielsweise Methan oder ein anderer gasförmiger Kohlenwasserstoff verwendet. Eine Silizium-Dotierung der DLC-Schicht findet durch Zugabe von Silan als zweitem Precursorgas statt. Die Eigenschaften der DLC-Schicht, insbesondere deren Austrittsarbeit werden durch die HF-Leistung, den Arbeitsdruck in der Prozesskammer, die Gasflüsse der Precursoren und durch die Kammergeometrie bestimmt. Letztere bestimmt die sogenannte Self-Bias, die sich im Plasma aufbaut und die für eine Beschleunigung der positiv geladenen Ionenrümpfe zu der Halbleiterschicht, auf der die amorphe Schicht abgeschieden werden soll, sorgt.
Eine DLC-Schicht mit einer Austrittsarbeit von beispielsweise 4,17 eV, d. h., mit einer Barrierenhöhe von 1,0 eV auf einer p-dotierten Schicht, kann beispielsweise bei einem Arbeitsdruck von etwa 100 mT in der Prozesskammer, einem Gasflussverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Precursorgas von etwa 3 und einer HF-Leistung von etwa 200 W abgeschieden werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer DLC-Schicht als amorphe semiisolierende Schicht lediglich als Beispiel zu verstehen ist und dass beliebige andere amorphe semiisolierende Schichten verwendet werden können, bei denen mittels geeigneter Wahl der Abscheidebedingungen die Austrittsarbeit so eingestellt ist, dass sich in Verbindung mit der Steuerelektrode 33 ein Inversionskanal in der Kanalzone 31 steuern lässt.
Die Bedingungen für die Ausbildung einer Inversionsschicht in einer p-dotierten Driftzone 30 allein gesteuert durch die Kanalsteuerschicht 32 werden nachfolgend anhand eines in den 2A und 2B dargestellten Bänderschemas erläutert. 2A zeigt links das Bänderschema für die amorphe Kanalsteuerschicht ”A” und rechts für das Halbleitermaterial ”S”. E_VAC bezeichnet hierbei das Energieniveau für das Vakuum, E_opt bezeichnet den sogenannten optischen Bandabstand des amorphen Materials und E_i bezeichnet das intrinsische Niveau des Halbleiters. 2B zeigt das Bänderschema für den amorph-kristallinen Heteroübergang.
Durch die unterschiedlichen Ferminiveaus des amorphen Materials und des Halbleitermaterials kommt es zu einer Bandverbiegung im Halbleitermaterial. Die Höhe dieser Bandverbiegung entspricht dem Kontaktpotenzial ψ_s, wobei eine starke Inversion dann einsetzt, wenn – wie dargestellt – die Bandverbiegung an der Halbleiteroberfläche den doppelten Wert des Abstandes zwischen dem Ferminiveau E_F und dem intrinsischen Niveau E_i annimmt. Die Barrierenhöhe qΦ_Bp entspricht dem Kontaktpotenzial bzw. der Bandverbiegung plus der Differenz E_F – E_V zwischen dem Ferminiveau und dem Energieniveau der Valenzbandkante.
Das zuvor erläuterte Bänderschema gilt für beliebige Halbleitermaterialien, so z. B. auch für Galliumarsenid (GaAs) mit einem Bandabstand E_g = 1,42 eV und einer Elektronenaffinität qχ = 4,07 eV, oder Siliziumkarbid (SiC), insbesondere 6H-SiC mit einem Bandabstand E_g = 3,05 eV und einer Elektronenaffinität qχ = 3,77 eV.
Die Steuerelektrode 33, die durch die Kanalsteuerschicht 32 von der Kanalzone 31 getrennt ist, ermöglicht eine Steuerung des Bauelements. Das Bauelement kann als selbstleitendes oder als selbstsperrendes Bauelement realisiert sein. Bei einem selbstleitenden Bauelement sind die Austrittsarbeit des Materials der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierung der Kanalzone so aufeinander abgestimmt, dass sich bereits bei einer Steuerspannung von 0 V zwischen der Steuerelektrode 33 und der Kanalzone 31 ein Inversionskanal ausbildet. Dies ist dann der Fall, wenn eine der Gleichungen (6a) oder (6b) erfüllt ist. Bei einem Bauelement mit einer p-dotierten Kanalzone 31 ist die zum Sperren des Bauelements anliegende Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode 33 und der Kanalzone eine negative Spannung, und bei einem Bauelement mit einer n-dotierten Kanalzone 31 ist die zum Sperren des Bauelements anzulegende Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode 33 und der Kanalzone 31 eine positive Spannung.
Bei einem selbstsperrenden Bauelement sind die Austrittsarbeit qΦ_a des Materials der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 so aufeinander abgestimmt, dass sich (noch) kein Inversionskanal in der Kanalzone ausbildet, dass die Gleichungen (6a) und (6b) also nicht erfüllt sind.
Betrachtet sei beispielsweise das oben erläuterte Beispiel einer p-dotierten Kanalzone mit einer Akzeptorkonzentration von N_A = 10¹⁸ cm^–3. Wie erläutert ist zur Ausbildung eines Inversionskanals bei einer Steuerspannung von Null eine Austrittsarbeit qΦ_a ≤ 4,17 eV erforderlich. Die Ausbildung eines Inversionskanals bei einer Steuerspannung von Null wird verhindert, wenn entweder die Dotierung der Kanalzone 31 höher ist als die angegebenen 10¹⁸ cm^–3 oder wenn die Austrittsarbeit so eingestellt wird, dass sie größer ist als die angegebenen 4,17 eV. Allgemein gilt, dass die Ausbildung eines Inversionskanals bei einer Steuerspannung von 0 V verhindert wird, wenn bei einer p-dotierten Kanalzone einer gegebenen Dotierungskonzentration die Austrittsarbeit qΦ_a größer ist als der Wert der Austrittsarbeit, für den die Gleichung (6a) gerade noch erfüllt ist, es gilt also: qΦa > Eg + qχ – qψs(inv) – (EF – EV) (7a)
Die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 ist hierbei in dem Oberflächenpotenzial gψ_s(inv) bzw. dem Energieabstand E_F E_V berücksichtigt.
Amorphe semiisolierende Schichten besitzen eine hohe Zustandsdichte N_F am Ferminiveau, die im Bereich von 10²⁰ cm^–3 eV^–1 bis 10²² cm^–3 eV^–1 liegt. Die Debye-Länge L_D von amorphen semiisolierenden Schichten ist gegeben durch:
wobei q die Elementarladung, ε für die Dielektrizitätskonstante der amorphen semiisolierenden Schicht und NF die Zustandsdichte ist. Diese Dielektrizitätskonstante ε beträgt beispielsweise etwa zwischen 4 und 6.
Eine Grenzflächenkapazität C_S einer amorphen semiisolierenden Schicht, die auf ein Halbleitermaterial aufgebracht ist, ist gegeben durch den Quotienten aus der Dielektrizitätskonstante ε und der Debye-Länge L_D, d. h.
Aus dieser Grenzflächenkapazität C_S lässt sich eine Grenzflächenzustandsdichte berechnen, für die gilt:
Für den oben angegebenen Bereich der Zustandsdichten N_F am Ferminiveau und eine Dielektrizitätskonstante ε = 6, beträgt die Grenzflächenzustandsdichte unter Berücksichtigung der Gleichungen (9) bis (11) bis zu 10¹⁴ cm^–2 eV^–1.
Diese hohe Grenzflächenzustandsdichte D_S bewirkt einerseits, dass eine Verschiebung des Ferminiveaus durch Anlegen einer Steuerspannung nur in geringem Umfang möglich ist. Andererseits genügen aufgrund dieser hohen Zustandsdichte bereits geringe Verschiebungen des Ferminiveaus bzw. Bandverbiegungen im Bereich von einigen 10 mV oder einigen 100 mV um eine starke Änderung der Ladungsdichte an der Grenzfläche zwischen der Kanalsteuerschicht 32 und der Kanalzone 31 zu bewirken, wie sie für das Abschnüren bzw. das Ausbilden eines Inversionskanals erforderlich ist. Eine solche geringe Verschiebung des Ferminiveaus kann durch Anlegen einer äußeren Spannung, d. h. durch Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektrode 33 erreicht werden. Die anzulegende Ansteuerspannung ist allerdings höher als die erforderliche Verschiebung des Ferminiveaus, wie nachfolgend anhand eines in 3 dargestellten Ersatzschaltbilds für die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 31 und die Grenzfläche der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 31 zu der Kanalzone dargestellt ist.
Dieses Ersatzschaltbild umfasst zwei Komponenten: das Ersatzschaltbild für die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 31, das eine Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes R_a und einer Kapazität Ca umfasst; und das Ersatzschaltbild für die Grenzfläche der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 zu der Kanalzone, das eine Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes R_S und der Grenzflächenkapazität C_S umfasst. Die Kapazität C_a ist die dielektrische Kapazität der amorphen semiisolierenden Schicht 31, die gegeben ist durch den Quotienten aus der Dielektrizitätskonstante ε der amorphen semiisolierenden Schicht 32 und deren Schichtdicke. In diesem Zusammenhang ist noch anzumerken, dass die Kapazitäten und die Widerstände in dem Ersatzschaltbild flächenbezogene spezifische Kapazitäten und Widerstände repräsentieren.
R_a repräsentiert den nach dem Poole-Frenkel Gesetz spannungsabhängigen Widerstand der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 31 und R_S repräsentiert den an der Grenzfläche herrschenden Widerstand.
Eine zwischen der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und der Kanalzone angelegte Steuerspannung VG umfasst bezugnehmend auf das Ersatzschaltbild zwei Anteile: einen Anteil V_a, der über der amorphen Schicht 32 abfällt; und einem Anteil V_S, der über der Grenzfläche abfällt. Der über der Grenzfläche abfallende Anteil repräsentiert dabei die zur Ausbildung oder Unterbrechung eines Inversionskanals notwendige Verschiebung des Ferminiveaus E_F der amorphen semiisolierenden Schicht 32. Diese Verschiebung des Ferminiveaus bzw. die Bandverbiegung in der amorphen Schicht ist im Vergleich zu der Bandverbiegung in der Kanalzone 31 des Halbleiters sehr gering und ist daher in dem Bänderschema gemäß 2 nicht dargestellt.
Der Widerstand R_a ist abhängig von der an der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 anliegenden Spannung, bzw. der in der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 vorherrschenden Feldstärke. Der Strom (Steuerstrom) durch die amorphe semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 in die Kanalzone 31 nimmt entsprechend des Poole-Frenkel-Effekts mit zunehmender Spannung bzw. Feldstärke überproportional zu.
Um einerseits durch Anlegen einer Steuerspannung einen Kanal auszubilden oder zu unterbrechen, um andererseits ein aufgrund des Poole-Frenkel-Effekts mit zunehmender Steuerspannung zu starkes Ansteigendes Steuerstrom zu verhindern, gilt für die Austrittsarbeit bei einer gegebenen Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 insbesondere: 1,1·(Eg + qχ – qψs(inv) – (EF – EV)) > qΦa > Eg + qχ – qψs(inv) – (EF – Ev) (8a)
Entsprechend wird die Ausbildung eines Inversionskanals bei einer Steuerspannung von 0 V verhindert wird, wenn bei einer n-dotierten Kanalzone einer gegebenen Dotierungskonzentration die Austrittsarbeit qΦ_a kleiner ist als der Wert der Austrittsarbeit, für den die Gleichung (6b) gerade noch erfüllt ist, es gilt also: qΦa < qχ – qψs(inv) + (EC – EF) (7b).
Entsprechend Gleichung (8a) gilt insbesondere: 0,9·(qχ – qψs(inv) + (EC – EF)) < qΦa < qχ – qψs(inv) + (EC – EF) (8b)
Die Bedingungen für die Ausbildung einer Inversionsschicht in einer p-dotierten Driftzone 30 gesteuert durch die Kanalsteuerzone werden nachfolgend anhand eines in den 2A und 2B dargestellten Bänderschemas erläutert. 2A zeigt links das Bänderschema für die amorphe Kanalsteuerschicht ”A” und rechts für das Halbleitermaterial ”S”. E_VAC bezeichnet hierbei das Energieniveau für das Vakuum, E_opt bezeichnet den sogenannten optischen Bandabstand des amorphen Materials und E_i bezeichnet das intrinsische Niveau des Halbleiters. 2B zeigt das Bänderschema für den amorph-kristallinen Heteroübergang.
Durch die unterschiedlichen Ferminiveaus des amorphen Materials und des Halbleitermaterials kommt es zu einer Bandverbiegung im Halbleitermaterial. Die Höhe dieser Bandverbiegung entspricht dem Kontaktpotenzial ψ_s, wobei eine starke Inversion dann einsetzt, wenn – wie dargestellt – die Bandverbiegung an der Halbleiteroberfläche den doppelten Wert des Abstandes zwischen dem Ferminiveau E_F und dem intrinsischen Niveau E_i annimmt. Die Barrierenhöhe qΦ_Bp entspricht dem Kontaktpotenzial bzw. der Bandverbiegung plus der Differenz E_F – E_V zwischen dem Ferminiveau und dem Energieniveau der Valenzbandkante.
Bezogen auf das in 2 dargestellte Bänderschema bewirkt das Anlegen einer Steuerspannung eine Verschiebung des Ferminiveaus der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht und beeinflusst dadurch die Bandverbiegung im Halbleitermaterial. Bei einer p-dotierten Kanalzone 21 ist zur Unterbrechung des Inversionskanals, und damit zum Sperren des Bauelements, eine negative Steuerspannung anzulegen. Diese negative Steuerspannung bewirkt ein Absinken des Ferminiveaus der amorphen Schicht; hierdurch verringert sich die Bandverbiegung, so dass der Inversionskanal unterbrochen wird.
Das zuvor erläuterte Bänderschema gilt für beliebige Halbleitermaterialien, so z. B. auch für Galliumarsenid (GaAs) mit einem Bandabstand E_g = 1,42 eV und einer Elektronenaffinität qχ = 4,07 eV, oder Siliziumkarbid (SiC), insbesondere 6H-SiC mit einem Bandabstand E_g = 3,05 eV und einer Elektronenaffinität qχ = 3,77 eV.
Bei einem selbstsperrenden Bauelement sind die Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 – wie erläutert – so aufeinander abgestimmt, dass sich bei einer Steuerspannung von 0 V gerade noch kein Inversionskanal ausbildet. Ausgehend von einem ”selbstleitenden” amorph-kristallinen Heteroübergang mit einer Dotierungskonzentration N der Kanalzone und einer Austrittsarbeit qΦ_a, bei dem sich bei einer Steuerspannung von 0 V ein Inversionskanal ausbildet, kann ein ”selbstsperrender” amorph-kristalliner Heteroübergang dadurch erhalten werden, dass die Dotierungskonzentration der Kanalzone bei gleichbleibender Austrittsarbeit 31 erhöht wird oder dass die Austrittsarbeit bei gleichbleibender Dotierung der Kanalzone 31 verändert wird. Bei einer p-Dotierung der Kanalzone 31 ist Austrittsarbeit im Vergleich zu einem selbstleitenden amorph-kristallinen Heteroübergang anzuheben, und bei einer n-Dotierung der Kanalzone 31 ist Austrittsarbeit im Vergleich zu einem selbstleitenden amorph-kristallinen Heteroübergang abzusenken. Selbstverständlich können auch beide Parameter variiert werden.
Betrachtet man ein Bänderschema, wie es in 3 dargestellt ist, so genügt bei einem selbstsperrenden Übergang die durch die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 31 bewirkte Bandverbiegung im Halbleitermaterial der Kanalzone 31 nicht, um einen Inversionskanal auszubilden. Eine ausreichende Bandverbiegung wird erst durch Anlegen einer Steuerspannung erreicht, wobei bei einer p-dotierten Kanalzone 31 eine positive Steuerspannung und bei einer n-dotierten Kanalzone 31 eine negative Steuerspannung anzulegen ist. Bei einer p- dotierten Kanalzone 31 bewirkt das Anlegen der Steuerspannung ein Anheben des Ferminiveaus E_F des Materials der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32, woraus eine für die Ausbildung eines Inversionskanals ausreichende Bandverbiegung resultiert. Bei einer n-dotierten Kanalzone 31 bewirkt das Anlegen der Steuerspannung entsprechend ein Absenken des Ferminiveaus E_F des Materials der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32.
Die zuvor anhand von 1 erläuterte Steuerstruktur 30 mit einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 kann bei beliebigen herkömmlichen Transistorbauelementen, wie z. B. MOSFET oder IGBT, verwendet werden wobei lediglich die bei bekannten Bauelementen vorhandene MOS-Struktur mit einer Gateelektrode, einer Gatedielektrikumsschicht und einer Bodyzone durch die erläuterte Steuerstruktur 30 mit der Kanalsteuerschicht 32 und der Steuerelektrode 33 zu ersetzen ist.
4 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper 100 ein Beispiel eines Leistungs-Transistor-Bauelements. Dieses Transistorbauelement ist wie ein herkömmlicher Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT aufgebaut mit dem Unterschied, dass anstelle einer herkömmlichen MOS-Steuerstruktur mit einer Gateelektrode, einem Gatedielektrikum und einer Bodyzone eine Steuerstruktur 30 mit einer Steuerelektrode 33, einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und einer Kanalzone 31 vorgesehen ist. Für diese Steuerstruktur gelten sämtliche im Zusammenhang mit den 1 und 2 gemachten Ausführungen entsprechend. In Anlehnung an die Bezeichnung MOSFET ist das vorliegende Bauelement ein MASSFET (Metal Amorphous Semiinsulator Semiconductor Fieldeffect Transistor).
Wegen der Ähnlichkeit der Struktur des dargestellten MASSFET mit einem MOSFET werden entsprechende Bauelementzonen wie bei einem MOSFET nachfolgend in gleicher Weise bezeichnet. So wird die erste Anschlusszone 11 nachfolgend auch als Source zone 11, die zweite Anschlusszone 21 nachfolgend auch als Drainzone und die Steuerelektrode 33 nachfolgend auch als Gateelektrode bezeichnet. Die Sourcezone 11 ist durch eine Sourceelektrode 41 kontaktiert, die einen Sourceanschluss S des Bauelements bildet, die Drainzone 21 ist durch eine Drainelektrode 42 kontaktiert, die einen Drainanschluss D des Bauelements bildet und die Gateelektrode 33 bildet einen Gateanschluss G des Bauelements.
Bei dem in 4 dargestellten Leistungsbauelement schließt sich die Sourcezone 11 unmittelbar an die Kanalzone 31 an, während zwischen der Kanalzone 31 und der Drainzone 21 eine Driftzone 22 angeordnet ist, in der sich bei sperrendem Bauelement eine Raumladungszone ausbreiten kann und die so im Wesentlichen eine an dem Bauelement anliegende Sperrspannung aufnimmt.
Das Bauelement kann als n-leitendes oder als p-leitendes Bauelement realisiert sein. Der Leitfähigkeitstyp des Bauelements wir bestimmt durch den Dotierungstyp der Sourcezone 11. Bei einem n-leitenden Bauelement ist die Sourcezone 11 n-dotiert, und bei einem p-leitenden Bauelement ist die Sourcezone 11 p-dotiert. Die Kanalzone 31 ist komplementär zu der Sourcezone 11 dotiert. Die Drainzone 21 ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Sourcezone 11, kann jedoch auch komplementär zu der Sourcezone 11 dotiert sein, wobei das Bauelement im zuletzt genannten Fall wie ein IGBT funktioniert. Die Driftzone 22 ist vom gleichen Leitungstyp wie die Sourcezone 11, jedoch niedriger dotiert. Die Dotierungskonzentrationen der Sourcezone 11 und der Drainzone 21 liegen beispielsweise im Bereich von 10¹⁹ bis 10²¹ cm^–3 und die Dotierungskonzentration der Driftzone 22 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10¹³ cm^–3 und 10¹⁵ cm^–3. Die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 ist – wie erläutert – so auf die Austrittsarbeit qΦ_a des Materials der Kanalsteuerschicht 32 abgestimmt, dass sich in der Kanalzone 31 entlang der Ka nalsteuerschicht 32 zwischen der Sourcezone 11 und der Driftzone 22 ein Inversionskanal steuern lässt.
Das Bauelement kann als selbstleitendes Bauelement realisiert sein. In diesem Fall sind die Austrittsarbeit gΦ_a des Materials der Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 so aufeinander abgestimmt, dass die Gleichungen (6a) und (6b) erfüllt sind. Dieser Inversionskanal kann durch Anlegen einer Ansteuerspannung zwischen der Gateelektrode 33 und der Kanalzone 31 unterbrochen werden, wobei bei einem n-leitenden Bauelement eine negative Spannung und bei einem p-leitenden Bauelement eine positive Spannung zur Unterbrechung des Kanals anzulegen ist.
Das Bauelement kann auch als selbstsperrendes Bauelement realisiert sein. In diesem Fall sind die Dotierungskonzentrationen der Kanalzone 31 und die Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht 32 so aufeinander abgestimmt, dass sich bei einer Ansteuerspannung von 0 V noch kein Inversionskanal in der Kanalzone 31 ausbildet. Zur Ausbildung eines solchen Inversionskanals ist bei einem n-leitenden Bauelement eine positive Absteuerspannung anzulegen, und bei einem p-leitendem Bauelement eine negative Ansteuerspannung anzulegen. Ein selbstsperrendes Bauelement liegt – wie erläutert – dann vor, wenn eine der Bedingungen (7a, 8a) oder (7b, 8b) erfüllt ist.
Die Kanalzone 31 ist bei dem dargestellten Bauelement elektrisch an die Sourceelektrode 41 angeschlossen, so dass die Ansteuerspannung zwischen der Gateelektrode 33 und der Sourceelektrode 41 angelegt werden kann. Zum Anschließen der Kanalzone 31 an die Sourceelektrode 41 ist eine Anschlusszone 12 des gleichen Leitungstyps wie die Kanalzone 31 vorgesehen, die die Sourceelektrode 41 kontaktiert. Die Anschlusszone 12 könnte bis an die Kanalzone 31 reichen. Im dargestellten Beispiel ist zwischen der Anschlusszone 12, deren Dotierungskonzentration beispielsweise im Bereich der Dotierungskonzentra tion der Sourcezone 11 oder der Drainzone 21 liegt, eine niedriger dotierte Bauelementzone 23 des gleichen Leitungstyps wie die Kanalzone 31 und die Anschlusszone 12 vorgesehen. Diese niedriger dotierte Bauelementzone 23 reicht bis an die Driftzone 22 und erstreckt sich optional (wie dargestellt) entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21.
Die Funktionsweise des dargestellten Bauelements wird nachfolgend kurz erläutert. Das Bauelement leitet, wenn durch geeignete Ansteuerung der Gateelektrode 33 ein Inversionskanal in der Kanalzone 31 zwischen der Driftzone 22 und der Sourcezone 11 vorhanden ist. In diesem Fall kann bei Anlegen einer Spannung zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S ein Strom zwischen der Drainzone 21 und der Sourcezone 11 fließen, und zwar über die Driftzone 22 und den Inversionskanal in der Kanalzone 31. Das Bauelement sperrt, wenn durch geeignete Ansteuerung der Gateelektrode 33 der Inversionskanal in der Kanalzone 31 unterbrochen ist und wenn bei einem n-leitenden Bauelement eine positive Spannung zwischen Drain D und Source S anliegt bzw. wenn bei einem p-leitenden Bauelement eine negative Spannung zwischen Drain D und Source S anliegt. Ausgehend von einem pn-Übergang zwischen der Kanalzone 31 und dem sich an die Kanalzone 31 anschließenden niedriger dotierten Gebiet 23 einerseits und der Driftzone 22 andererseits breitet sich im Sperrfall eine Raumladungszone in der Driftzone 22 aus, die die Sperrspannung aufnimmt.
Bei dem dargestellten Bauelement, bei dem sich das niedriger dotierte Gebiet 23 optional entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21 erstreckt, breitet sich die Raumladungszone auch in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung sowohl in der Driftzone 22 als auch in dem Gebiet 23 aus. In der Driftzone 22 und in dem niedriger dotierten Gebiet 23 vorhandene Dotierstoffladungen kompensieren sich dadurch gegenseitig, wodurch eine höhere Spannungsfestigkeit des Bauelements im Vergleich zu solchen Bauelementen erreicht werden kann, bei denen sich in Stromflussrichtung kein komplementär zu der Driftzone 22 dotiertes Gebiet entlang der Driftzone 22 erstreckt.
Die Kanalsteuerschicht 32 kann – wie dargestellt – an die Sourceelektrode 41 angeschlossen sein. In Stromflussrichtung reicht die Kanalsteuerschicht 31 von der Sourcezone 11 bis an die Driftzone 22, wobei die Kanalsteuerschicht 32 die Sourcezone 11 und die Driftzone 22 überlappen kann. Zwischen der Kanalsteuerschicht 32 und der Drainzone 21 kann eine Passivierungsschicht 51, wie zum Beispiel eine Oxidschicht, angeordnet sein, die die Driftzone 22 überdeckt. Optional erstreckt sich die Kanalsteuerschicht 32 entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21 und kann an die Drainelektrode 42 angeschlossen sein. Das in 4 in Klammern angegebene Bezugszeichen 32 bezieht sich auf diese zuletzt genannte Variante.
Bei der Variante, bei der sich die Kanalsteuerschicht 32 entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21 erstreckt, kann in der Driftzone 22 entlang der Kanalsteuerschicht 32 eine komplementär zu der Driftzone 22 dotierte weitere Kanalzone 24 angeordnet sein, die in Stromflussrichtung von der Drainzone 21 bis an die Kanalzone 31 der Steuerstruktur 30 reicht. Die Austrittsarbeit der Kanalsteuerschicht 32 und dieser weiteren Kanalzone 24 sind hierbei insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Inversionskanal in dieser weiteren Kanalzone 24 ausbildet. Dies ist der Fall, wenn die Gleichungen (6a) oder (6b) erfüllt sind. Bei einem n-leitenden Bauelement ist die weitere Kanalzone 24 p-dotiert, bei einem p-leitenden Bauelement ist sie n-dotiert. Die Dotierungskonzentration dieser weiteren Kanalzone 24 kann der Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 entsprechen, wenn das Bauelement ein selbstleitendes Bauelement ist. Bei einem selbstsperrenden Bauelement ist die Dotierungskonzentration der weiteren Kanalzone 24 geringer als die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 der Steuerstruktur 30.
Die Funktionsfähigkeit des in 4 dargestellten Bauelements wurde anhand einer Teststruktur verifiziert, für die unterschiedliche elektrische Eigenschaften ermittelt wurden, die nachfolgend anhand der 5 bis 7 erläutert werden. Das Testbauelement ist ein n-leitendes Bauelement mit einer Länge der Kanalzone 31 in Stromflussrichtung von 10 μm und einer Länge der Driftzone 22 in Stromflussrichtung von 80 μm. Die Herstellung der Kanalzone 31 erfolgte durch Ionenimplantation mit einer Dosis von 1·10¹² cm^–2 p-Dotierstoffatomen, in dem Beispiel Boratomen. Für die Herstellung der Driftzone 22 wurden n-Dotierstoffatome mit einer Implantationsdosis von 8·10¹¹ cm^–2 implantiert. Als Dotierstoff wurde Arsen verwendet. Aufgrund von Segregationseffekten beim Eintreiben der n-Dotierstoffe verblieben etwa 63% der implantierten Dotierstoffe im Halbleiter, woraus eine elektrisch aktive Dosis von 5·10¹¹ cm^–2 der Driftzone 22 resultiert.
Die Kanalsteuerschicht 32 des Testbauelements ist eine DLC-Schicht mit einer Austrittsarbeit von qΦ_a = 4,17 eV und einer Dicke von 350 nm, die beispielsweise anhand des zuvor erläuterten Verfahrens hergestellt werden kann. Bei dem Testbauelement erstreckt sich die Kanalsteuerschicht 32 entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21. Die Austrittsarbeit qΦ_a und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 sind bei diesem Bauelement so aufeinander abgestimmt, dass das Bauelement selbstsperrend ist.
Die Dotierung des Gebiets 23, das in dem Beispiel einer Substratdotierung entspricht, betrug etwa 2,6·10¹⁴ cm^–3, dies entspricht einem spezifischen Widerstand von etwa 50 Ωcm.
Als Referenzstruktur zum Vergleich der elektrischen Eigenschaften des Testbauelements dient eine Transistorstruktur, die entsprechend wie das Testbauelement aufgebaut ist und die sich von dem Testbauelement nur dadurch unterscheidet, dass anstelle der Steuerstruktur 30 mit der amorphen semiisolie renden Kanalsteuerschicht 32 eine MOS-Steuerstruktur mit einer Gateoxidschicht einer Dicke von 50 nm vorhanden ist. Sowohl das Testbauelement als auch das Referenzbauelement sind Siliziumbauelemente.
5 veranschaulicht einen Drainstrom I_DS abhängig von einer Drain-Source-Spannung V_DS für das Referenzbauelement bei einer Steuerspannung VG von 10 V (Kurve R1) sowie für das Testbauelement für Steuerspannungen von 10 V (Kurve G1), 20 V (Kurve G2), 30 V (Kurve G3), 40 V (Kurve G4) und 50 V (Kurve G5). Ein Vergleich dieser Kurven zeigt, dass sich das Testbauelement bei einer Ansteuerspannung von 20 V wie das Referenzbauelement bei einer Ansteuerspannung von 10 V verhält. Die bei dem Testbauelement mit der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht notwendige höhere Ansteuerspannung resultiert im wesentlichen aus dem zuvor erläuterten Spannungsabfall über der amorphen Schicht, der durch das Poole-Frenkel-Leitungsverhalten und die – im Vergleich zu der Schichtdicke der Oxidschicht des Referenzbauelements – höhere Schichtdicke dieser amorphen Schicht bestimmt ist. Die Dielektrizitätskonstanten ε liegen mit Werten zwischen 4 und 6 für die amorphe Schicht des Testbauelements und mit etwa ε = 4 für die Oxidschicht des Referenzbauelements im gleichen Bereich. Dass in dem Beispiel bei einer um einen Faktor 7 größeren Schichtdicke der amorphen Schicht 32 im Vergleich zu der Schichtdicke der Oxidschicht bei dem Testbauelement lediglich eine um einen Faktor 2 höhere Ansteuerspannung erforderlich ist, zeigt, dass sich die amorphe Schicht nicht wie ein Dielektrikum verhält, sondern dass die für die Höhe der Ansteuerspannung bestimmenden Faktoren der Poole-Frenkel-Leitfähigkeitsmechanismus, die Austrittsarbeit und die hohe Grenzflächenzustandsdichte der amorphen Schicht 32 sind.
6 veranschaulicht den Drainstrom I_DS abhängig von der Drain-Source-Spannung V_DS für Drain-Source-Spannungen von Null bis zum Einsetzen eines Avalanchedurchbruchs. Die Gate-Ansteuerspannungen waren im vorliegenden Fall jeweils gleich (40 V). R2 zeigt die Kennlinie des Referenzbauelements, G11 zeigt die Kennlinie des Testbauelements. Wie ein Vergleich der Kennlinien zeigt, setzt der Avalanchedurchbruch bei beiden Bauelementen bei annährend gleichen Drain-Source-Spannungen ein.
7 veranschaulicht den Drain-Source-Strom I_DS abhängig von der Ansteuerspannung VG für das Testbauelement (Kurve G21) und das Referenzbauelement (Kurve R4) für eine jeweils gleiche Drain-Source-Spannung (20 V). Dargestellt sind in 7 außerdem die Gateströme für das Referenzbauelement (Kurve R3) und das Testbauelement (Kurve G31).
Anhand der Kurven G21 und R4 ist ersichtlich, dass bei beiden Bauelementen eine Sättigung bei in etwa gleichen Ansteuerspannungen (ca. 30 V) einsetzt. Ein unterschiedliches Verhalten zeigen die beiden Bauelemente bezüglich des Gatestroms. Während bei dem Referenzbauelement der Gatestrom bedingt durch den Fowler-Nordheim-Tunneleffekt ab Spannungen von ca. 50 V einsetzt, steigt der Gatestrom des Testbauelements bereits ab geringeren Spannungen (ca. 15 V) an.
Der im Vergleich zu dem Referenzbauelement frühere Anstieg des Gatestroms resultiert aus der sogenannten Poole-Frenkel-Emission in der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32. Absolut gesehen liegt allerdings auch der höhere Gatestrom des Testbauelements in einem tolerierbaren Bereich. Bei einer Gatespannung von 30 V, bei der der Drainstrom bereits einen Sättigungswert von etwa 40 mA annimmt, beträgt der Gatestrom lediglich 5 nA. Der Gatestrom ist damit etwa um einen Faktor 10^–7 kleiner als der Drainstrom.
Das in 4 dargestellte Bauelement ist ein laterales Bauelement. Die Sourcezone 11 und die Drainzone 21 sind bei diesem Bauelement in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zueinander angeordnet. Eine Stromflussrichtung dieses Bauelements verläuft damit in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers. Das zuvor erläuterte Konzept, das vorsieht, bei dem Transistorbauelement eine MOS-Struktur durch eine Steuerstruktur 30 mit einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 zu ersetzen, ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung in lateralen Bauelementen beschränkt, sondern kann selbstverständlich auch bei vertikalen Bauelementen eingesetzt werden. Vertikale Bauelemente sind Bauelemente, bei denen eine Stromflussrichtung in einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers verläuft.
8 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper 100 ein erstes Beispiel eines vertikalen Transistorbauelements. Dieses Bauelement ist zellenartig aufgebaut und besitzt eine Vielzahl gleichartiger Strukturen mit jeweils einer Sourcezone 11, einer Kanalzone 31, einer Driftzone 22 sowie einer Drainzone 21. Die Drainzone 21 und die Driftzone 22 sind bei diesem Bauelement allen Transistorzellen gemeinsam. Die Steuerstruktur 30 dieses Bauelements ist eine planare Steuerstruktur. Die Kanalsteuerschicht 33 ist bei diesem Bauelement oberhalb einer ersten Seite 101, die nachfolgend auch als Vorderseite bezeichnet wird, des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und erstreckt sich in lateraler Richtung von der Sourcezone 11 über die Kanalzone 31 bis an einen Abschnitt der Driftzone 22, der bis an die Vorderseite 101 reicht. Die Sourcezonen 11 sind jeweils durch Sourceelektroden 41 kontaktiert, die die Sourcezonen 11 und die Kanalzonen 31 jeweils kontaktieren bzw. kurzschließen. Die Drainzone 21 ist bei diesem Bauelement im Bereich einer zweiten Seite 102, die nachfolgend als Rückseite bezeichnet wird, des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und ist im Bereich dieser Rückseite 102 durch eine Drainelektrode 42 kontaktiert. Die einzelnen Transistorzellen sind parallel geschaltet, indem die einzelnen Sourceelektroden 41 elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
9 veranschaulicht ein gegenüber dem Bauelement gemäß 8 abgewandeltes Bauelement. Das Bauelement gemäß 9 ist als Trenchtransistor realisiert. Die Steuerelektrode 33 ist hierbei in einem Graben des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und erstreckt sich in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers von der Sourcezone 11 entlang der Kanalzone 31 bis in die Driftzone 22. Die Steuerelektrode 33 ist hierbei durch die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 32 gegenüber der Sourcezone 11, der Kanalzone 31 und der Driftzone 22 getrennt. Auch das in 9 dargestellte Bauelement ist zellenartig aufgebaut und besitzt eine Vielzahl gleichartiger Zellen mit jeweils einer Sourcezone 11, einer Kanalzone 31, einer Driftzone 22 und einer Drainzone 21, wobei die Drainzone 21 und die Driftzone 22 allen Transistorzellen gemeinsam ist.
Die einzelnen Transistorzellen der in den 7 und 8 dargestellten Bauelemente können eine beliebige herkömmliche Zellengeometrie besitzen.
Wie anhand von 10 schematisch dargestellt ist, können die einzelnen Transistorzellen beispielsweise eine hexagonale Zellengeometrie besitzen. Die Kanalzonen 31 besitzen – betrachtet in einer horizontalen Schnittebene durch den Halbleiterkörper – in diesem Fall eine hexagonale Geometrie, wobei zwischen den einzelnen Bodyzonen 31 bei dem Bauelement gemäß 8 Abschnitte der Driftzone 22 angeordnet sind und bei dem Bauelement gemäß 9 die Steuerelektrode 33 mit der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 angeordnet ist. Die in 9 in Klammern angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf das Bauelement gemäß 9.
Bezugnehmend auf die 10 und 11 können die einzelnen Transistorzellen auch eine rechteckförmige, insbesondere quadratische Geometrie (vgl. 11) oder eine streifenförmige Geometrie (vgl. 12) besitzen. Die Bodyzonen der einzelnen Transistorzellen besitzen dabei einen rechteckförmigen, insbesondere quadratischen bzw. einen streifenförmigen Verlauf.
Darüber hinaus ist das erläuterte Konzept, eine MOS-Steuerstruktur durch eine Steuerstruktur mit einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 31 zu ersetzen, selbstverständlich nicht auf Leistungsbauelemente – die eine Driftzone aufweisen – beschränkt, sondern kann auf beliebige Feldeffekttransistoren angewendet werden.
13 zeigt ein Beispiel eines MASSFET, der nicht als Leistungsbauelement ausgebildet ist. Dieser MASSFET unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten beispielsweise dadurch, dass keine Driftzone 22 vorhanden ist. Das Kurzschließen der Sourcezone 11 und der Kanalzone 31 durch die Steuerelektrode 41 unter Verwendung der Anschlusszone 12 ist bei diesem Bauelement optional. So besteht in nicht näher dargestellter Weise bei einem solchen Bauelement auch die Möglichkeit, lediglich die Sourcezone 11 an die Sourceelektrode 41 anzuschließen. Zum Anlegen der Ansteuerspannung ist in diesem Fall außer dem Gateanschluss G ein weiterer Anschluss vorzusehen, über den die Kanalzone 31 kontaktierbar ist.
Die Verwendung einer amorphen semiisolierenden Schicht anstelle einer Dielektrikumsschicht bietet den Vorteil, dass in einer amorphen semiisolierenden Schicht – anders als in einer Dielektrikumsschicht einer MOS-Struktur – eine Injektion von heißen Ladungsträgern (Hot-Carrier-Injection) auch bei Anlegen hoher Spannungen an die Gateelektrode 33 nicht auftreten kann. Anders als bei Bauelementen mit einer MOS-Struktur kann es bei Bauelementen mit einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 damit nicht zu einer Verschiebung (Drift) der Einsatzspannung des Bauelements kommen. Die Einsatzspannung ist hierbei die Spannung, die an die Gateelektrode 33 anzulegen ist, damit sich – je nach Art des Bauelements – ein Inversionskanal ausbildet bzw. der Inversionskanal abgeschnürt wird.
Darüber hinaus lassen sich amorphe semiisolierende Schichten aus einem Halbleitermaterial auch auf Siliziumkarbid (SiC) als Material für das Halbleiterbauelement mit einer ausreichend hohen Güte und ausreichend hohen Langzeitstabilität herstellen. Die Herstellung eines Oxids mit ausreichender Güte stellt bislang ein Problem bei der Realisierung von selbstsperrenden Feldeffekttransistoren auf SiC-Basis dar.
Als Beispiel für einen selbstsperrenden Transistor auf SiC-Basis sei nachfolgend ein n-leitender Transistor auf Basis von SiC des 6H-Polytyps betrachtet. 6H-SiC besitzt eine Elektronenaffinität qχ von 3,77 eV sowie einen Bandabstand E_g von 3,05 eV. Die effektive Zustandsdichte an der Valenzbandkante beträgt N_V = 4,8·10¹⁵·C^1,5 cm_–3, das heißt bei einer Temperatur von T = 300 K gilt: N_V = 2,5·10¹⁹ cm^–3. Bei einer Akzeptorkonzentration von etwa 1·10¹⁴ cm^–3 für die Kanalzone 31 beträgt der Energieabstand E_F – E_V zwischen dem Ferminiveau und dem Valenzband gemäß (3b) damit etwa 0,3 eV. Hieraus resultiert ein Kontaktpotential bzw. Oberflächenpotential qψ_s von 2,35 eV. Bezugnehmend auf Gleichung (6a) würde bei einer Austrittsarbeit qΦ_a von 4,17 eV das zum Einsatz einer starken Inversion notwendige Oberflächenpotential qψ_s etwa 2,37 eV betragen, so dass bei einer Akzeptorkonzentration von etwa 10¹⁴ cm^–3 der Einsatz einer starken Inversion bereits bei einer Ansteuerspannung etwa 0 Volt eintritt. Ein selbstsperrendes Bauelement würde bei diesem Beispiel erhalten, wenn die Akzeptorkonzentration gegenüber den genannten 10¹⁴ cm^–3 erhöht würde, also beispielsweise bei einer Akzeptorkonzentration von etwa 10¹⁵ cm^–3 der Kanalzone 31. Dies resultiert unmittelbar aus Gleichung (7a).
Bei einem zweiten Konzept einer Steuerstruktur ist vorgesehen, die Kanalzone 31 in einer Richtung quer zu einer Stromflussrichtung zwischen der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und einer komplementär zu der Kanalzone 31 dotierten Steuerelektrode bzw. Steuerzone 34 anzuordnen.
14 veranschaulicht ein Bauelement mit einer solchen gegenüber der bisher erläuterten Steuerstruktur 30 abgewandten Steuerstruktur. Bei dieser Steuerstruktur ist die Kanalzone 31 in einer Richtung quer zu einer Stromflussrichtung zwischen der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und einer komplementär zu der Kanalzone 31 dotierten Steuerzone 34 angeordnet, die nachfolgend als Gatezone bezeichnet wird. Die Struktur des in 14 dargestellten Bauelements basiert auf der Struktur des anhand von 13 erläuterten Bauelements. Die Steuerstruktur 30 mit der Kanalzone 31 zwischen der Kanalsteuerschicht 32 und der Gatezone 34 ist jedoch bei allen zuvor erläuterten Bauelement und als Ersatz für die MOS-Struktur bei beliebigen MOS-Transistoren einsetzbar. Die Funktionsweise eines Bauelements mit einer solchen Steuerstruktur wird beispielhaft für das Bauelement gemäß 14 nachfolgend erläutert.
Die Austrittsarbeit der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 sind bei diesem Bauelement so aufeinander abgestimmt, dass sich gerade kein Inversionskanal in der Kanalzone 31 ausbildet, wenn eine zwischen der Gatezone 34 und der Kanalzone 31 anliegende Steuerspannung Null ist. Das Anlegen der Steuerspannung zwischen der Gatezone 34 und der Kanalzone 31 kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung zwischen der Gatezone 34 und der Sourceelektrode 41 erfolgen, wobei die Sourceelektrode 41 – wie bereits im Zusammenhang mit dem Bauelement gemäß 4 erläutert, über die Anschlusszone 12 und das niedriger als die Anschlusszone 12 dotierte Halbleitergebiet 23 an die Kanalzone 31 angeschlossen ist. Die Ausbildung eines Inversionskanals setzt bei diesem Bauelement dann ein, wenn zwischen der Gatezone 34 und der Kanalzone 31 eine Ansteuerspannung angelegt wird, die den zwischen der Gatezone 34 und der Kanalzone 31 gebildeten pn-Übergang in Sperrrichtung polt. Hierdurch breitet sich ein elektrisches Feld in der Kanalzone 31 aus, das bis in die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 32 durchgreift. Dieser Durchgriff des elektrischen Feldes in die amorphe semiisolierende Kanalsteuerschicht 32 führt dazu, dass positive Ladungszustände, die aufgrund der erläuterten hohen Zustandsdichte und der erläuterten Bandverbiegung bereits im spannungslosen Zustand vorhanden sind, weiter verstärkt werden, woraus die Ausbildung eines Inversionskanals in der Kanalzone 31 resultiert.
Die Austrittsarbeit der semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 und die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 sind beispielsweise so aufeinander abgestimmt, dass je nach Leitungstyp des Bauelements die Gleichungen (7a, 8a) bzw. (7b, 8b) erfüllt sind. Die Abmessungen der Kanalzone 31 in einer Richtung quer zur Stromflussrichtung sind insbesondere so gewählt, dass die Kanalzone 31 bei Anlegen einer Spannung, die den pn-Übergang in Sperrrichtung polt, vollständig ausräumbar ist. Die in Richtung quer zu der Stromflussrichtung aufintegrierte Dotierstoffladung der Kanalzone 31 sollte dabei unterhalb der Durchbruchsladung des jeweiligen Halbleitermaterials liegen. Für Silizium als Material des Bauelements beträgt die Durchbruchsladung etwa 1,4·10¹² cm^–2. Bei Verwendung einer amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 mit einer Austrittsarbeit von 4,17 eV beträgt die Dotierungskonzentration beispielsweise 1·10¹⁷ cm^–3, um die zuvor genannte Bedingung zu erfüllen, dass sich bei einer Ansteuerspannung von Null Volt gerade noch kein Inversionskanal ausbildet. Die Abmessungen der Kanalzone 31 in der Richtung quer zu der Stromflussrichtung liegen beispielsweise im Bereich von 100 nm, die Dotierstoffdosis in dieser Richtung beträgt dann 1·10¹² cm^–2 (= 100 nm 10¹⁷ cm^–3), die damit unterhalb der Durchbruchsladung liegt.
15 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper 100 eine Variante des Bauelements gemäß 4, bei dem eine Steuerstruktur 30 gemäß 14 vorgesehen ist. Das Bauelement gemäß 15 unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Bauelement lediglich dadurch, dass anstelle der Gateelektrode 33 oberhalb der Kanalsteuerschicht 32 eine Gatezone 34 vorgesehen ist, die an der der Kanalsteuerschicht 32 gegenüberliegenden Seite der Kanalzone 31 an die Kanalzone 31 angrenzt. Die übrigen zu dem Bauelement gemäß 4 gemachten Ausführungen gelten für das Bauelement gemäß 15 entsprechend. So kann die Driftzone 22 beispielsweise durch eine Passivierungsschicht 51 bedeckt sein. Optional besteht auch die Möglichkeit, die Kanalsteuerschicht 32 so zu realisieren, dass sie sich entlang der Driftzone 22 bis an die Drainzone 21 erstreckt.
Bezugnehmend auf 16 besteht auch die Möglichkeit, bei der Variante, bei der sich die Kanalsteuerschicht 32 bis an die Drainzone 21 erstreckt, in der Driftzone 22 eine weitere Kanalzone 24 vorzusehen, die komplementär zu der Driftzone 22 dotiert ist und deren Dotierungskonzentration so auf die Austrittsarbeit der amorphen Kanalsteuerschicht 32 abgestimmt ist, dass sich ein Inversionskanal in der weiteren Kanalschicht 24 ausbildet. Bei einem n-leitenden Bauelement ist die Dotierungskonzentration der weiteren Kanalzone 24 hierzu beispielsweise niedriger als die Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 der Steuerstruktur.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass die Dotierungskonzentration der weiteren Kanalzone 24 der Dotierungskonzentration der Kanalzone 31 der Steuerstruktur entspricht. Die Kanalsteuerschicht 32 ist in diesem Fall zwischen die Gateelektrode 33 und die Drainelektrode 42 geschaltet. Ein sich in diesem Fall einstellender Potentialverlauf in der Kanalsteuerschicht 32 reicht dabei zumindest über einen Großteil der Länge der Driftzone 22 aus, um einen Inversionskanal in der weiteren Kanalzone 24 auszubilden.
Bei den Bauelementen gemäß der 15 und 16 ist die Driftzone 22 in ein komplementär zu der Driftzone dotiertes Halbleitergebiet 23 eingebettet, das sich entlang der Driftzone 22 von der Sourcezone 11 bis an die Drainzone 21 erstreckt und das bei sperrendem Bauelement den im Zusammenhang mit dem Bauelement gemäß 4 erläuterten Kompensationseffekt bewirkt.
17 veranschaulicht ein gegenüber 16 abgewandeltes Bauelement, bei dem das niedriger dotierte Halbleitergebiet 23 des gleichen Leitungstyps für die Kanalzone 31 lediglich die Gatezone 34 umschließt und bis an die Anschlusszone 12 reicht. Die Kanalzone 31 und die weitere Kanalzone 24 können bei diesem Bauelement – entsprechend der Ausführungen zu dem Bauelement gemäß 16 unterschiedlich dotiert sein, oder können eine gleiche Dotierung besitzen.
18 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch den Halbleiterkörper ein vertikales Bauelement mit einer zuvor anhand der 13 bis 16 erläuterten Steuerstruktur. Die Sourcezone 11 und die Drainzone 21 sind bei diesem Bauelement in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet zueinander angeordnet. Die Kanalsteuerschicht 32 erstreckt sich bei diesem Bauelement von der Sourcezone 11 bis an die Drainzone 21. In der Driftzone 22 ist eine komplementär zu der Driftzone 22 dotierte weitere Kanalzone 24 vorhanden, die sich an die Kanalsteuerschicht 32 anschließt und die in Stromflussrichtung, d. h. in vertikaler Richtung, zwischen der Kanalzone 31 und der Drainzone 21 angeordnet ist. Die Kanalzone 31 und die weitere Kanalzone 24 können bei diesem Bauelement als gemeinsame Halbleiterzone mit gleicher Dotierung realisiert sein oder mit unterschiedlichen Dotierungen realisiert sein (gestrichelt dargestellt). Die Gatezone 34 ist bei diesem Bauelement durch eine komplementär zu der Gatezone 34 dotierte Halbleiterzone 35 von der Driftzone 22 sowie der Sourcezone 11 bzw. der die Sourcezone 11 kontaktierenden Sourceelektrode 41 getrennt.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Bauelements wird nachfolgend anhand der 18A bis 18G erläutert.
Bezugnehmend auf 19 ist bei diesem Verfahren vorgesehen, zunächst einen Halbleiterkörper mit einer die spätere Drainzone 21 bildenden Halbleiterschicht und einer die spätere Driftzone 22 bildenden Halbleiterschicht vorzusehen. Die die Drainzone 21 bildende Halbleiterschicht ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat. Die die Driftzone 22 bildende Halbleiterschicht ist beispielsweise eine auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Epitaxieschicht. Bezugnehmend auf die 18A und 18B wird bei diesem Verfahren zunächst die Gatezone 34 und die die Gatezone 34 umgebende komplementär dotierte Halbleiterzone 35 hergestellt. Hierzu werden aufeinanderfolgend eine Schicht 35A des Leitungstyps der komplementären Halbleiterzone 35, eine Schicht 34' des Leitungstyps der Gatezone 34 sowie eine weitere Schicht (nicht dargestellt) des Leitungstyps der komplementären Halbleiterzone 35 hergestellt. Zumindest in den beiden zuerst hergestellten Halbleiterschichten werden Halbleitergebiete 35B, 35C implantiert, die vom selben Leitungstyp wie die komplementär dotierte Halbleiterzone 35 sind und die die spätere Gatezone 34 in lateraler Richtung begrenzen. Nach Abscheiden aller drei Schichten wird ein Temperaturprozess durchgeführt, wodurch die Dotierstoffe aus den Halbleitergebieten 35B, 35C in die zweite Halbleiterschicht 34' eindiffundieren und diese Halbleiterschicht 34' in den Bereichen, in denen die Gatezone 34 nicht hergestellt werden soll, umdotieren. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist in 19B dargestellt.
Anschließend wird bezugnehmend auf 19C ein Graben hergestellt, der ausgehend von einer ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100 bis an die Drainzone 21 reicht. Die Herstellung dieses Grabens erfolgt beispielsweise durch Anwendung eines herkömmlichen Ätzverfahrens unter Verwendung einer Ätzmaske 201, die in 19B dargestellt ist.
Aus der Grabenätzung eventuell resultierende Kristallschäden können durch eine Nachbehandlung der Halbleiteroberfläche, wie z. B. durch Herstellen eines thermischen Oxids (Opferoxid) und anschließender Rückätzung des Oxids, entfernt werden. Bezugnehmend auf 19D wird anschließend ganzflächig eine Halbleiterschicht 31 hergestellt, die die spätere Kanalzone 31 und die weitere Kanalzone 24 bildet. Die Herstellung dieser Halbleiterschicht 31'' erfolgt beispielsweise durch epitaktisches Abscheiden eines Halbleitermaterials. Dieses Halbleitermaterial wird anschließend vom Boden des Grabens sowie von der ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers entfernt. Hierzu eignet sich beispielsweise ein anisotroper Ätzprozess. Wie im Ergebnis in 19E dargestellt, resultiert hieraus eine Halbleiterschicht 31', die lediglich an den Seitenwänden des Grabens verbleibt und die die Kanalzone 31 und die weitere Kanalzone bildet.
Die durch den erläuterten Herstellungsprozess an den Seitenwänden des Grabens erhaltenen Halbleiterschichten 31' besitzen über die gesamte Tiefe des Grabens eine gleiche Dotierungskonzentration, so dass im späteren Bauelement die Kanalzone 31 der Steuerstruktur und die weitere Kanalzone 24 in der Driftzone 22 eine gleiche Dotierungskonzentration besitzen. Zur Herstellung einer Kanalzone 31 und der weiteren Kanalzone 24 mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen besteht optional die Möglichkeit, die Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht 31' in dem Bereich, in dem sie die Kanalzone 31 bildet, zu ändern, insbesondere zu erhöhen. Hierzu können unter einem schrägen Winkel gegenüber der ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers Dotierstoffatome implantiert werden. Aufgrund des schrägen Implantationswinkels erreichen die Dotierstoffatome in dem Graben nur den oberen Bereich der Halbleiterschicht 31', in dem die Kanalzone 31 liegt. Alternativ kann der Graben für diesen Dotierprozess bis auf Höhe einer Grenze zwischen den beiden Kanalzonen 31, 24 mit einer Schutzschicht aufgefüllt werden, die die weitere Kanalzone 24 vor einer Dotierung schützt. Diese Schutzschicht wird nach Durchführung der zusätzlichen Dotierung der Kanalzone 32 wieder entfernt.
Wie in 19E ebenfalls im Ergebnis dargestellt ist, wird nach Herstellen der Kanalzone 31 die Sourcezone 11 herge stellt. Hierzu werden beispielsweise Dotierstoffatome des Dotierungstyps der Sourcezone 11 über die erste Seite 101 in den Halbleiterkörper eingebracht. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Implantationsverfahren. Bei einem n-leitenden Bauelement ist die Sourcezone 11 n-dotiert. Geeignete Dotierstoffatome zur Herstellung der n-dotierten Sourcezone 11 sind beispielsweise Arsenatome oder Phosphoratome.
Bezugnehmend auf 19F wird anschließend die amorphe semi-isolierende Kanalsteuerschicht 32 ganzflächig, d. h. sowohl an Seitenwänden, als auch dem Boden des Grabens und oberhalb der ersten Seite 101 des Halbleierkörpers hergestellt. Diese amorphe semiisolierende Schicht 32 ist beispielsweise eine DLC-Schicht und kann beispielsweise anhand des zuvor erläuterten Verfahrens hergestellt werden.
Die Herstellung der amorphen semiisolierenden Kanalsteuerschicht 32 erfolgt beispielsweise derart, dass diese Schicht 32 den Graben nicht vollständig auffüllt, sondern lediglich den Boden und die Seitenwände des Grabens bedeckt. Der dadurch verbleibende Restgraben kann bezugnehmend auf 19G mit einem Füllmaterial 52 aufgefüllt werden. Dieses Füllmaterial ist beispielsweise ein undotiertes Siliziumoxid (USG), ein Polyimid, ein Silikon, ein Epoxymaterial oder Benzo-Cyclo-Buthen (BCB). Dieses Füllmaterial 52 wird beispielsweise ganzflächig mittels eines Plasmaabscheideverfahrens abgeschieden und wird anschließend oberhalb der ersten Seite 101 entfernt. Anschließend werden Kontaktlöcher hergestellt, die oberhalb der ersten Seite 101 durch die Kanalsteuerschicht 32 bis an die Sourcezone 11 und bis in die die Gatezone 34 umgebende komplementäre Halbleiterzone 35 reichen. Anschließend wird die Sourceelektrode 41 oberhalb der ersten Seite 101 und die Drainelektrode 42 oberhalb der zweiten Seite 102 hergestellt, was im Ergebnis zu dem in 18 dargestellten Bauelement führt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können, wenn dies nicht explizit erwähnt wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Semiconductor Devices”, 2nd edition, John Wiley and Sons, 2002, Seite 175 [0045]
- Sze, a. a. O, Seite 39 [0050]
- Sze, a. a. O., Seite 538 [0050]
- Sze, a. a. O., Seite 226 [0052]

Claims

Transistorbauelement, das aufweist: eine erste und eine zweite Anschlusszone (11, 21), die beabstandet zueinander angeordnet sind; eine Steuerstruktur mit einer Kanalzone (31) eines ersten Leitungstyps, die in einer Stromflussrichtung zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone (11, 21) angeordnet ist, einer Kanalsteuerschicht (32) aus einem amorphen oder nanokristallinen semiisolierenden Material, die sich in Stromflussrichtung entlang der Kanalzone erstreckt, und einer Steuerelektrode (33).
Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei der die Kanalsteuerschicht (32) zwischen der Kanalzone (31) und der Steuerelektrode (33) angeordnet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuerelektrode (33) aus einem Metall oder einem dotierten polykristallinen Halbleitermaterial besteht.
Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei der die Kanalzone (31) zwischen der Kanalsteuerschicht (32) und der Steuerelektrode (33) angeordnet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Steuerelektrode (33) sich an die Kanalzone (31) anschließt und eine dotierte Halbleiterzone eines zu dem ersten Leitungstyps komplementären zweiten Leitungstyps ist.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Dotierungskonzentration der Kanalzone (31) so gewählt ist, dass die Kanalzone (31) in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung vollständig ausräumbar ist.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kanalzone p-dotiert ist und bei dem eine Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht (32) und eine Dotierungskonzentration der Kanalzone (31) so aufeinander abgestimmt sind, dass gilt: qΦa > Eg + qχ – qψs(inv) – (EF – EV)wobei qΦ_a die Austrittsarbeit, E_g den Bandabstand des Halbleitermaterials der Kanalzone 31, qψ_s(inv) das für das Einsetzen einer starken Inversion notwendige Kontaktpotenzial, qχ die Elektronenaffinität, E_F das Ferminniveau und E_V das Energieniveau des Valenzbands bezeichnet.
Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Kanalzone (31) n-dotiert ist und bei dem eine Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht (32) und eine Dotierungskonzentration der Kanalzone (31) so aufeinander abgestimmt sind, dass gilt: qΦa < qχ – qψs(inv) + (EC – EF)wobei qΦ_a die Austrittsarbeit, E_g den Bandabstand des Halbleitermaterials der Kanalzone 31, gψ_s(inv) das für das Einsetzen einer starken Inversion notwendige Kontaktpotenzial, qχ die Elektronenaffinität, E_F das Ferminniveau und E_C das Energieniveau des Leitungsbandes bezeichnet.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Driftzone (22) des gleichen Leitungstyps wie die erste Anschlusszone (11) zwischen der zweiten Bauelementzone (21) und der Kanalzone (31) angeordnet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 9, bei dem sich die Kanalsteuerschicht (32) entlang der Driftzone (22) bis an die zweite Anschlusszone (21) erstreckt.
Transistorbauelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem in der Driftzone (22) eine weitere Kanalzone (24) angeordnet ist, die sich an die Kanalsteuerzone (32) anschließt und die komplementär zu der Driftzone (22) dotiert ist.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite Anschlusszone (11, 21) in einer lateralen Richtung eines Halbleiterkörpers (100) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste und die zweite Anschlusszone (11, 21) in einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers (100) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kanalsteuerschicht (32) aus einem der folgenden Materialien besteht: dotiertes oder undotiertes amorphes oder nanokristallines Silizium (aSi, NCSi), dotiertes oder undotiertes amorphes oder nanokristallines Siliziumkarbid (aSiC, NCSiC), diamantartiger Kohlenstoff (DLC), nanokristalliner Diamant (NCD), semiisolierendes Polysilizium (SIPOS).
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Austrittsarbeit des Materials der Kanalsteuerschicht zwischen 4,0 eV und 4,20 eV beträgt.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Dotierungskonzentration der Kanalzone (31) zwischen 10¹³ cm^–3 und 10¹⁸ cm^–3 beträgt.
Transistorbauelement nach Anspruch 16, bei dem eine Dotierungskonzentration der Kanalzone (31) zwischen 10¹⁴ cm^–3 und 10¹⁷ cm^–3 beträgt.