DE102013217768A1 - Verfahren zur Herstellung eines Substrats, Substrat, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor mit einem Substrat, mikroelektromechanisches System mit einem Substrat, und Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats, einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor mit einem Substrat, ein mikroelektromechanisches System mit einem Substrat und ein Kraftfahrzeug. Dabei umfasst das Substrat eine Siliziumcarbidschicht (10). Das Verfahren zur Herstellung eines Substrats für einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ein mikroelektromechanisches System umfasst folgende Schritte: (a) Trockenätzen eines vorläufigen Grabens in das Substrat unter Verwendung einer strukturierten ersten Maskierungsschicht, wobei das Trockenätzen so durchgeführt wird, dass ein Rest (60’) der ersten strukturierten Maskierungsschicht verbleibt, (b) Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht (65) zumindest auf Wänden des vorläufigen Grabens, und (c) Trockenätzen unter Verwendung des Rests (60’) der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht, sodass ein Graben mit eine Stufe in dem Graben entsteht.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats, ein Substrat, einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor mit einem Substrat, ein mikroelektromechanisches System mit einem Substrat und ein Kraftfahrzeug.
- Stand der Technik
- Substrate, die eine Siliziumcarbidschicht umfassen, finden zunehmend Verwendung für Standardbauteile. Beispielsweise werden Leistungshalbleiter, die bis Spannungen von mehr als 1,2 kV sperren, als Graben-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Trench-MOSFET) unter Verwendung von solchen Substraten realisiert. Solche Leistungshalbleiter finden beispielsweise in elektromobilen Anwendungen, also Kraftfahrzeugen mit Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien, oder in Photovoltaikanlagen Verwendung. Auch mikroelektromechanische Systeme können mit solchen Substraten realisiert werden. Für mikroelektromechanische Systeme kann das Substrat weiterhin eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumschicht umfassen, auf der die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist.
- Zur Realisierung eines Trench-MOSFETs wird beispielsweise ein Substrat (monokristallines n-dotiertes 4H-SiC-Substrat) verwendet, dessen Siliziumcarbidschicht eine hexagonale Kristallstruktur aufweist und n-dotiert ist. Eine n-dotierte Siliziumcarbidpufferschicht ist zwischen der Siliziumcarbidschicht und einer niedrig n-dotierten Siliziumcarbid-Driftzone (n-Driftzone) angeordnet.
- Eine solche Realisierung eines Trench-MOSFETs
100 nach Stand der Technik ist in1 gezeigt. Auf dem n-dotierten 4H-SiC-Substrat10 ist eine moderat p-dotierte Siliziumcarbidschicht (p–-Schicht)20 angeordnet, die epitaktisch aufgewachsen oder implantiert sein kann. Auf einem Teil der p–-Schicht20 ist eine hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht (n+-Source)30 angeordnet, die epitaktisch aufgewachsen oder implantiert sein kann und als Source-Anschluss dient. Dabei dient eine Rückseite des 4H-SiC-Substrats10 als Drainanschluss. Neben der n+-Source30 ist ein p+-Anschluss (p+-Plug)40 bis in die p–-Schicht20 implantiert, sodass eine Oberseite des p+-Plug40 an die Oberseite der n+-Source30 anschließt und der p+-Plug40 zur Definition des Kanalpotenzials dienen kann. Die p–-Schicht20 und die n+-Source30 sind je durch eine Aussparung strukturiert, die über einem Graben angeordnet ist, mit dem die n-Driftzone10 strukturiert ist. Die Aussparungen haben im Querschnitt eine selbe, konstante Breite. Auch der Graben hat, abgesehen von einem Bodenbereich, diese selbe Breite. Lediglich im Bodenbereich verjüngt sich die Breite des Grabens infolge der Strukturierung, sodass der Graben im Querschnitt ein topfförmiges Profil hat. Der Graben ist also im Querschnitt konkav. - Der Graben kann nach der Strukturierung mit einem Gate-Oxid beschichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine hochdotierte Implantation im Boden des Grabens erfolgen. Dann wird ein Polysilizium-Gate
50 in den Graben abgeschieden. So entsteht in der p–-Schicht20 ein vertikaler Kanalbereich25 . Dies erlaubt eine höhere Packungsdichte von parallel verschalteten Transistoren als bei Transistoren mit lateralem Kanalbereich. - Der strukturierungsbedingte Übergang von Seitenwand des Grabens zu Boden des Grabens kann in der Anwendung zu sehr hohen Feldstärken in diesem Bereich führen, die höher sind als eine Durchbruchschwelle, bei der die Oxidschicht im Sperrfall elektrisch durchbrochen und das Bauteil beschädigt wird.
- Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung eines Substrats für einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder ein mikroelektromechanisches System vorgestellt. Dabei umfasst das Substrat eine Siliziumcarbidschicht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Trockenätzen eines vorläufigen Grabens in das Substrat unter Verwendung einer strukturierten ersten Maskierungsschicht, wobei das Trockenätzen so durchgeführt wird, dass ein Rest der ersten strukturierten Maskierungsschicht verbleibt, (b) Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht zumindest auf Wänden des vorläufigen Grabens, und (c) Trockenätzen unter Verwendung des Rests der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht, sodass ein Graben mit einer Stufe in dem Graben entsteht.
- So lässt sich ein Graben mit einer Stufe in selbstjustierender Weise leicht herstellen.
- In einer Ausführungsform kann Schritt (b) Folgendes umfassen: konformes Aufbringen der zweiten Maskierungsschicht, wobei ein Teil der zweiten Maskierungsschicht auf Wänden des vorläufigen Grabens, ein weiterer Teil auf einem Boden des vorläufigen Grabens und noch ein weiterer Teil auf dem Rest der strukturierten ersten Maskierungsschicht aufgebracht wird, und Entfernen des weiteren Teils und des noch einen weiteren Teils durch Trockenätzen.
- Der Teil der Maskierungsschicht auf Wänden des vorläufigen Grabens schützt dann die Stufe des Grabens während des weiteren Ätzens.
- Das Verfahren kann weiterhin ein Implantieren von Ionen in den Boden des vorläufigen Grabens nach Schritt (a) und vor Schritt (b) umfassen.
- So lässt sich ein dotiertes Gebiet unterhalb der Stufe leicht realisieren. Dies verbessert den Durchbruchschutz noch mehr.
- Schritt (a) kann Folgendes umfassen: konformes Aufbringen der ersten Maskierungsschicht, Aufbringen eines strukturierten Fotolacks auf die erste Maskierungsschicht; und Strukturieren der ersten Maskierungsschicht durch Plasmaätzen unter Verwendung des Fotolacks.
- Die strukturierte erste Maskierungsschicht kann so leicht hergestellt werden.
- Die Siliziumcarbidschicht kann eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen, auf der eine moderat p-dotierte Siliziumcarbidschicht angeordnet ist, wobei auf zumindest einem Teil der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht eine hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht angeordnet ist. Dann kann in Schritt (a) die erste Maskierungsschicht konform auf die hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht aufgebracht werden und durch Ätzen in Schritt (a) auch Aussparungen in der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht und in der hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht gebildet werden, wobei die Aussparungen über dem vorläufigen Graben angeordnet sind und im Querschnitt eine selbe Breite haben, die einer Breite des vorläufigen Grabens entspricht.
- Ein solches Substrat ist dann für einen besonders durchbruchsicheren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor geeignet. Bei einem solchen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist dann der Graben bis zu der Stufe mit einem Dielektrikum gefüllt. Weiterhin ist eine Gate-Elektrode zumindest teilweise in dem Graben über dem Dielektrikum und auch teilweise so in den Aussparungen angeordnet, die polykristallines Silizium umfasst, wobei durch die Anordnung in der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht ein vertikaler Kanalbereich entsteht.
- So lässt sich ein ausreichend dickes Dielektrikum realisieren, das bewirkt, dass die im Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor auftretenden Feldstärken unterhalb der Durchbruchschwelle bleiben.
- In einer Ausführungsform des Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors kann das Dielektrikum auch die Grabenwände oberhalb der Stufe bedecken.
- Der resultierende Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist dann noch besser vor Durchbruch geschützt.
- Erfindungsgemäß wird weiterhin ein mikroelektromechanisches System gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Dabei umfasst das mikroelektromechanische System ein Substrat, das mit dem erfindungsgemäß vorgestellten Verfahren hergestellt ist. Das Substrat umfasst weiterhin eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumschicht, auf der die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist. Ein Teil des Grabens oberhalb der Stufe ist vollständig in der Siliziumcarbidschicht ausgebildet.
- Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Das Kraftfahrzeug ist mit einem Leistungsschalter versehen, der einen erfindungsgemäß vorgestellten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor umfasst.
- Erfindungsgemäß wird schließlich ein mit dem erfindungsgemäß vorgestellten Verfahren hergestelltes Substrat vorgestellt.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
- Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Trench-MOSFET nach Stand der Technik; -
2 eine beispielhafte anfängliche Struktur eines Substrats zur Herstellung eines sich gestuft verjüngenden Grabens im Substrat, -
3 eine beispielhafte zwischenzeitliche Struktur des Substrats, -
4 eine beispielhafte weitere zwischenzeitliche Struktur des Substrats, -
5 eine beispielhafte noch weitere zwischenzeitliche Struktur des Substrats, und -
6 eine beispielhafte Endstruktur des Substrats. - Ausführungsformen der Erfindung
- Ein Graben mit einer Stufe, wie er in den verschiedenen Aspekten der Erfindung Verwendung findet, kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden.
- Die
2 ,3 und4 zeigen beispielhafte Strukturen eines Substrats vor und während der Herstellung eines sich gestuft verjüngenden Grabens im Substrat. - Ein beispielhaftes Ausgangsmaterial für das beispielhafte Herstellungsverfahren des Grabens ist eine n-dotierte Siliziumcarbidschicht mit hexagonaler Kristallstruktur (4H-SiC-Substrat) und eine niedrig n-dotierte epitaktische Siliziumcarbid-Driftzone (n-Driftzone)
10 , zwischen denen eine n-dotierte Siliziumcarbidpufferschicht angeordnet ist. Darauf aufbauend ist eine moderat p-dotierte Siliziumcarbidschicht (p–-Schicht)20 epitaktisch aufgewachsen oder implantiert. Darauf ist eine hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht (n+-Source)30 epitaktisch aufgewachsen oder implantiert. Diese n-dotierte Siliziumcarbidschicht30 dient als Source-Anschluss. Eine Rückseite des 4H-SiC-Substrats10 dient als Drainanschluss. - Der Graben
90 , der in den2 ,3 ,4 und5 gebildet wird, weist einen gestuften Querschnitt mit einer Stufe auf. Die Breite des Grabens90 verjüngt sich also nach unten einmal, sodass ein oberer Bereich des Grabens, oberhalb der Stufe, die unverjüngte Breite B1 und ein unterer Bereich des Grabens, unterhalb der Stufe, die verjüngte Breite B2 aufweist. - Um dies zu realisieren, wird beispielsweise in einem ersten Schritt eine erste Maskierungsschicht
60 , beispielsweise Siliziumdioxid, aufgebracht. Dann wird beispielsweise in einem zweiten Schritt ein Fotolack70 über die erste Maskierungsschicht60 abgeschieden und mittels Fotolithographie eine Strukturierung des Fotolacks70 entsprechend der unverjüngten Breite B1 erzeugt. Dann wird die erste Maskierungsschicht60 mithilfe des strukturierten Fotolacks entsprechend der unverjüngten Breite B1 strukturiert. Die resultierende Struktur ist in2 dargestellt. - Nun wird die Struktur unter Verwendung des strukturierten Fotolacks und der strukturierten ersten Maskierungsschicht
60 als Maske geätzt. Es entsteht ein vorläufiger Graben mit einer unverjüngten Breite B1. Dabei wird der strukturierte Fotolack70 vollständig entfernt, die strukturierte erste Maskierungsschicht60 wird jedoch nur teilweise entfernt, sodass ein Rest60’ der strukturierten ersten Maskierungsschicht verbleibt. Alternativ dazu kann der Substrat-Ätzung eine trocken- oder nasschemische Entfernung des Fotolacks vorangestellt werden. Die Substrat-Ätzung erfolgt dann ausschließlich unter Verwendung der strukturierten ersten Maskierungsschicht60 als Maske, wobei ebenfalls ein Rest60‘ der strukturierten ersten Maskierungsschicht verbleibt. Die resultierende Struktur ist beispielhaft in3 dargestellt. - Danach wird eine zweite Maskierungsschicht
65 konform auf eine Oberfläche des Rests60’ der ersten Maskierungsschicht sowie Boden und Wände des vorläufigen Grabens aufgebracht. Die resultierende Struktur ist beispielhaft in4 dargestellt. - Weiteres Ätzen wird durchgeführt. Zuerst wird dabei die zweite Maskierungsschicht
65 auf der Oberfläche des Rests60’ der ersten Maskierungsschicht sowie auf dem Boden des vorläufigen Grabens entfernt. Es verbleibt der an den Wänden des Grabens angeordnete Teil65’ der zweiten Maskierungsschicht. Die resultierende Struktur ist beispielhaft in5 dargestellt. - Nachdem die zweite Maskierungsschicht
65 auf der Oberfläche des Rests60’ der ersten Maskierungsschicht sowie auf dem Boden des vorläufigen Grabens entfernt ist, bewirkt das weitere Ätzen, dass der vorläufige Graben am Boden in einer verjüngten Breite B2 weiter vertieft wird, wobei B2 kleiner als B1 ist. Der Teil65’ der zweiten Maskierungsschicht wird von oben nach und nach abgetragen. Ebenso wird der Rest60’ der ersten Maskierungsschicht nach und nach abgetragen. Sobald der Graben die gewünschte Gesamttiefe erreicht hat, wird das Ätzen beendet. Eventuell noch vorhandenes Material des Rests60’ und/oder des Teils65’ können dann noch nasschemisch oder trockenchemisch entfernt werden. Die resultierende Struktur ist beispielhaft in6 dargestellt. - Die unverjüngte Breite B1 und die verjüngte Breite B2 sind abhängig von der benutzten Lithographie. Mittels Stepperlithographie können beispielsweise minimale Grabenbreiten von 500 Nanometer für den verjüngten Teil des Grabens erreicht werden, der unverjüngte Teil kann dann beispielsweise eine Breite von 800 Nanometer aufweisen. Der Abstand von Stufe
80 zur Oberseite der n+-Source30 kann beispielsweise 0,5 bis 3 Mikrometer betragen und der Abstand von der Stufe80 zum Boden des verjüngten Teils des Grabens90 kann etwa 0,2 bis 2 Mikrometer betragen. - In den Graben kann nun erst ein Dielektrikum abgeschieden werden, welches beispielsweise den verjüngten Teil des Grabens
90 bis zur Stufe80 füllen könnte. Zusätzlich kann das Dielektrikum Wände des Grabens oberhalb der Stufe80 dünnschichtig bedecken. Es ist auch möglich, nach dem ersten Ätzen und vor Entfernen des Fotolacks eine Ionenimplantation vorzunehmen, die so tiefer im Substrat angeordnet werden kann. - Schließlich kann eine Gate-Elektrode
50 aus polykristallinem Silizium in dem Graben oberhalb der Stufe angeordnet werden, sodass in der p–-Schicht20 ein vertikaler Kanalbereich25 entsteht. - Das mithilfe der
2 ,3 ,4 ,5 und6 erläuterte Verfahren zur Herstellung eines gestuften Grabenquerschnitts in einer Siliziumcarbidschicht ist auch für die Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen anwendbar, bei denen abgeschiedene Siliziumcarbidschichten verwendet werden, innerhalb derer der Graben mit im Querschnitt mindestens einem gestuften Abschnitt gebildet wird. Es ist auch möglich, dass die Siliziumcarbidschicht auf eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumschicht abgeschieden ist. Dann kann der Teil des Grabens mit unverjüngter Breite vollständig in der Siliziumcarbidschicht ausgebildet sein und der Teil des Grabens mit verjüngter Breite vollständig in der Schicht ausgebildet sein, auf die die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist. Insbesondere kann die Stufe mit dem Übergang von der Schicht, auf die die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist, zur Siliziumcarbidschicht zusammenfallen. Der Teil des Grabens mit verjüngter Breite kann die Schicht, auf die die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist, auch vollständig durchdringen. Für mikroelektromechanische Systeme kommen Verhältnisse von unverjüngter Breite zu verjüngter Breite von 100:1 in Betracht mit verjüngten Breiten von 1 bis 10 Mikrometern. Der Abstand von der Stufe zur Oberseite der Siliziumcarbidschicht kann beispielsweise 1 bis 10 Mikrometer betragen, und der Abstand von der Stufe zum Boden des verjüngten Teil des Grabens, beziehungsweise zur Unterseite der Schicht, auf die die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist, kann ebenfalls 1 bis 10 Mikrometer betragen. - Als Materialien für die erste und die zweite Maskierungsschicht kommen beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Polysilizium oder Siliziumcarbid in Frage, wobei die erste und die zweite Maskierungsschicht gleiche und unterschiedliche Materialien umfassen können, auch Metall als Material für eine oder beide Maskierungsschichten ist denkbar.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines Substrats für einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (
100 ) oder ein mikroelektromechanisches System, wobei das Substrat eine Siliziumcarbidschicht (10 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Trockenätzen eines vorläufigen Grabens in das Substrat unter Verwendung einer strukturierten ersten Maskierungsschicht (60 ), wobei das Trockenätzen so durchgeführt wird, dass ein Rest (60’ ) der ersten strukturierten Maskierungsschicht verbleibt, (b) Aufbringen einer zweiten Maskierungsschicht (65 ) zumindest auf Wänden des vorläufigen Grabens, (c) Trockenätzen unter Verwendung des Rests (60’ ) der ersten Maskierungsschicht und der zweiten Maskierungsschicht (65 ), sodass ein Graben (90 ) mit einer Stufe (80 ) in dem Graben (90 ) entsteht. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) umfasst: • konformes Aufbringen der zweiten Maskierungsschicht (
65 ), wobei ein Teil (65’ ) der zweiten Maskierungsschicht auf Wänden des vorläufigen Grabens, ein weiterer Teil auf einem Boden des vorläufigen Grabens und noch ein weiterer Teil auf dem Rest (60’ ) der strukturierten ersten Maskierungsschicht aufgebracht wird, und • Entfernen des weiteren Teils und des noch einen weiteren Teils durch Trockenätzen. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ein Implantieren von Ionen in den Boden des vorläufigen Grabens nach Schritt (a) und vor Schritt (b) umfasst.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schritt (a) umfasst: • konformes Aufbringen der ersten Maskierungsschicht (
60 ), • Aufbringen eines strukturierten Fotolacks (70 ) auf die erste Maskierungsschicht (60 ); und • Strukturieren der ersten Maskierungsschicht (60 ) durch Plasmaätzen unter Verwendung des strukturierten Fotolacks (70 ). - Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Siliziumcarbidschicht (
10 ) eine hexagonale Kristallstruktur aufweist und auf der Siliziumcarbidschicht (10 ) eine moderat p-dotierte Siliziumcarbidschicht (20 ) angeordnet ist, wobei auf zumindest einem Teil der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht (20 ) eine hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht (30 ) angeordnet ist und wobei in Schritt (a) die erste Maskierungsschicht (60 ) konform auf die hoch n-dotierte Siliziumcarbidschicht (30 ) aufgebracht wird und durch Ätzen in Schritt (a) auch Aussparungen in der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht (20 ) und in der hoch n-dotierten Siliziumcarbidschicht (30 ) gebildet werden, wobei die Aussparungen über dem vorläufigen Graben angeordnet sind und im Querschnitt eine selbe Breite haben, die einer Breite des vorläufigen Grabens entspricht. - Substrat, welches nach einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
- Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (
100 ) mit einem Substrat, wobei das Substrat mit einem Verfahren nach Anspruch 5 hergestellt ist, wobei der Graben (90 ) bis zu der Stufe (80 ) mit einem Dielektrikum gefüllt ist, wobei eine Gate-Elektrode (50 ) polykristallines Silizium umfasst und zumindest teilweise in dem Graben (90 ) über dem Dielektrikum und auch teilweise so in den Aussparungen angeordnet ist, dass in der moderat p-dotierten Siliziumcarbidschicht (20 ) ein vertikaler Kanalbereich (25 ) entsteht. - Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (
100 ) nach Anspruch 7, wobei das Dielektrikum auch die Grabenwände oberhalb der Stufe (80 ) bedeckt. - Mikroelektromechanisches System mit einem Substrat, wobei das Substrat mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist, wobei das Substrat weiterhin eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumschicht umfasst, auf der die Siliziumcarbidschicht abgeschieden ist, und wobei ein Teil des Grabens (
90 ) oberhalb der Stufe (80 ) vollständig in der Siliziumcarbidschicht ausgebildet ist. - Kraftfahrzeug mit einem Leistungsschalter, der einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor nach Anspruch 7 oder 8 umfasst.
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