DE102014107379A1

DE102014107379A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102014107379A1
Application number: DE102014107379.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Rüb
Original assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA
Current assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, welches ein Deckelement (1) mit mindestens einer Source-Zone (2) umfasst, sowie ein Substratelement (3) mit mindestens einer Drain-Zone (4). Das Halbleiterbauelement umfasst vorzugsweise außerdem mindestens eine Gate-Zone (5) zur Steuerung eines Flusses von Ladungsträgern zur Erzeugung eines elektrischen Stromes zwischen der mindestens einen Source-Zone (2) und der mindestens einen Drain-Zone (4). Source-Zone (2) und Drain-Zone (4) sind zueinander in vertikaler Richtung beabstandet angeordnet. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem mindestens eine Drift-Zone (6), welche in einem Bereich zwischen der mindestens einen Source-Zone (2) und der mindestens einen Drain-Zone (4) angeordnet ist. Die Drift-Zone (6) ist dabei aus einer Vielzahl von parallel zueinander in vertikaler Richtung angeordneten Nanodrähten (7) aus halbleitenden Materialien ausgebildet. Bei einem solchen Halbleiterbauelement weist mindestens ein Teil der Nanodrähte (7) einen Durchmesser auf, welcher von der Größenordnung der thermischen de-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger oder kleiner ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement umfasst ein Deckelement mit mindestens einer Source-Zone und ein Substratelement mit mindestens einer Drain-Zone. Das Halbleiterbauelement ist dabei vertikal aufgebaut, d.h. die mindestens eine Source-Zone und die mindestens eine Drain-Zone sind in vertikaler Richtung zueinander beabstandet angeordnet, so dass ein Ladungsträgerfluss zur Erzeugung eines elektrischen Stromes ebenfalls im wesentlichen in senkrechter Richtung erfolgt. Schließlich umfasst das Halbleiterbauelement auch mindestens eine Drift-Zone, welche in einem Bereich zwischen der mindestens einen Source-Zone und der mindestens einen Drain-Zone angeordnet ist, wobei die Drift-Zone aus einer Vielzahl von parallel zueinander in vertikaler Richtung angeordneten Nanodrähten aus halbleitenden Materialien ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst optional außerdem mindestens eine Gate-Zone zur Steuerung eines Flusses von Ladungsträgern zur Erzeugung eines elektrischen Stromes zwischen der mindestens einen Source-Zone und der mindestens einen Drain-Zone. Ohne Ausbildung einer Gate-Zone ist das Halbleiterbauelement beispielsweise als Diode ausgestaltet.
Im Stand der Technik sind verschiedene Halbleiterbauelemente insbesondere für den Hochvolt-und den Hochleistungsbereich bekannt. Hochvolt-Halbleiterleistungsschalter mit Sperrspannungen zwischen 20 V und 1000 V mit niedrigen Einschaltwiderständen werden beispielsweise aus Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und aus Silizium (Si) hergestellt. Leistungshalbleiterschaltern, welche für hohe Sperrspannungen ausgelegt sind, liegt oft eine MOS-Struktur (Metall Oxid Semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter) zugrunde und sie sind vertikal aufgebaut, d.h. Source (Quelle), Gate (Steuerelektrode) und MOS-Kanal befinden sich an der Oberseite des Bauelements, wohingegen sich der Drain-Bereich (Abflussbereich) auf der Rückseite bzw. Unterseite des Bauelementes befindet. Anstelle eines horizontal angeordneten Gates bzw. MOS-Kanals kann dieses auch vertikal angeordnet sein. Die Drain-Elektrode ist üblicherweise an der Unterseite eines Substrates aus einem Volumenhalbleiter angelegt, darauf ist eine epitaktische Schicht aufgewachsen, welche die sogenannte Drift-Zone bildet. Diese epitaktische Schicht ist oft aus Silizium, kann aber auch aus SiC oder GaN gebildet werden.
Der Hauptanteil des flächenspezifischen Einschaltwiderstandes fällt im Bereich der epitaktischen Schicht zwischen Substrat und Oberfläche an. Solche Halbleiterbauelemente werden in der Regel dahin konzipiert, dass der Einschaltwiderstand bei vorgegebener Sperrspannung möglichst niedrig ist. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Dotierung des Halbleitermaterials erhöht wird. Im Sperrfall, wenn an Source und Gate jeweils die Spannung 0V und am Drain beispielsweise die Spannung 600 V anliegt, befindet sich am Übergang der beispielsweise p-dotierten Bodyschicht bzw. Body-Zone unterhalb der Source-Zone und der dann n-dotierten Epitaxieschicht im elektrischen Feld eine Raumladungszone aus. Das Maximum der Feldstärke wird hierbei am p-n-Übergang zwischen Body-Zone und Epitaxieschicht erreicht. Wird die maximale Feldstärke, die von der Bandlücke abhängt und bei Silizium mit einer Bandlücke von 1,1 eV etwa bei 0,25 MV/cm liegt, überschritten, kommt es zur lawinenartigen Vermehrung von Ladungsträgern, so dass das Bauelement in diesem Zustand nicht mehr beherrschbar ist. Die lawinenartige Vermehrung von Ladungsträgern führt zu einer dissipativen, sehr großen Leistung, so dass das Bauelement im allgemeinen aufgeschmolzen und thermisch zerstört wird.
Ein Ausweg bietet die Verwendung von Materialien mit größerer Bandlücke, wie beispielsweise SiC und GaN. Die Herstellung epitaktischer Schichten aus diesem Material ist jedoch technologisch aufwendiger und in der Herstellung vergleichsweise teuer. Da sich jedoch die Sperrspannung im wesentlichen als integrale Feldstärke über die Breite der Raumladungszone ergibt, welche wesentlich in der epitaktischen Schicht lokalisiert ist, kann bei einer höheren erlaubten maximalen Feldstärke – bei gleicher Sperrspannung – die Breite der Raumladungszone reduziert werden, so dass auch die Dicke der epitaktischen Schicht verringert werden kann, was zu einem Kostenvorteil führt.
Technologisch kann jedoch bei solchen Bauelementen bei einer Sperrspannung von 600 V ein minimaler flächenspezifischer Einschaltwiderstand von 18 Ω mm² nicht unterschritten werden.
Eine Weiterentwicklung dieser klassischen Technologie stellen sogenannte Kompensationsbauelemente dar, wie sie beispielsweise von der Firma Infineon Technologies AG hergestellt und unter dem Produktnamen CoolMOS^TM angeboten wird. In eingeschaltetem Zustand wird bei solchen Kompensationsbauelementen der Widerstand durch eine höhere n-Dotierung in der Raumladungszone erniedrigt. Damit wäre die Sperrfähigkeit der Bauelemente eigentlich reduziert. Jedoch werden zusätzlich in Gebieten, die für den Stromfluss in Durchlassrichtung nicht benötigt werden, beispielsweise unter dem Kontaktloch, p-dotierte Säulenstrukturen eingebaut. Die im Sperrfall überschüssigen, ortsfesten Ladungen der hoch dotierten n-Gebiete finden ihre Spiegelladung nun in den vertikal angeordneten p-dotierten Säulen. Bei Kompensationsbauelementen wird somit sowohl lateral als auch vertikal Spannung abgebaut, es handelt sich um echte dreidimensionale Bauteile. Die erzielbaren flächenspezifischen Einschaltwiderstände liegen bei weniger als 3,5 Ωmm² bei einer Sperrspannung bzw. Durchbruchspannung von 600 V. Eine Verringerung über einen Wert von etwa 1 Ωmm² ist jedoch technologisch sehr aufwendig und wirtschaftlich daher nicht sinnvoll.
Auch Kompensationsbauelemente auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke – wie SiC und GaN – sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt aufgrund technologischer Schwierigkeiten nicht realisierbar.
Ein anderer Ansatz wird beispielsweise in der DE 10 2005 046 711 B4 beschrieben, hier ist eine Weiterentwicklung eines siliziumbasierten Leistungsschalters beschrieben, ein sogenannter TEDFET (Trench Extended Drain Field Effect Transistor).
Das Prinzip eines solchen TEDFET, bei dem es sich auch um ein vertikal angeordnetes Bauelement handelt, besteht darin, eine Dielektrikum vertikal entlang des Strompfades anzuordnen. Dabei enthält ein solcher Halbleiterschalter mehrere solcher säulenartig angeordneter Dielektrika. Zwischen den Dielektrika ist eine Driftsteuerzone angeordnet, über welche die Dielektrika gesteuert werden. Im Durchflussbetrieb wird ein Potential angelegt, so dass entlang des Dielektrikums im stromdurchflossenen Bereich eine Akkumulationsschicht entsteht. Auf diese Weise wird der Widerstand in der Drift-Zone drastisch reduziert. Der eigentliche Transistor kann auch als konventioneller MOS-Feldeffekttransistor ausgeführt sein (MOSFET).
Ein anderer Ansatz zur Verringerung des flächenspezifischen Einschaltwiderstands realisiert Leistungsschalter mit Hilfe von Nanodrähten und Nanoröhren. So wird beispielsweise in der DE 10 2004 003 374 A1 ein Halbleiter-Leistungsschalter beschrieben, bei dem Sourcekontakt und Drainkontakt ebenfalls vertikal zueinander beabstandet sind. Zwischen Source- und Drainkontakt befindet sich ein hochleitfähiges Gate aus konventionellem Silizium, welches zu beiden Seiten gegenüber Source- und Drainkontakt mittels Isolationsschichten isoliert ist. Zwischen Sourcekontakt und Drainkontakt verlaufen Nanodrähte oder Nanoröhren, die in der Draufsicht entsprechend einer Matrix angeordnet sind. Die Nanodrähte bzw. Nanoröhren durchstoßen damit auch das Gate, mit welchem so der Stromfluss zwischen Sourcekontakt und Drainkontakt gesteuert werden kann. Diese Struktur ist jedoch nicht für Hochvolt-Leistungsbauelemente geeignet, da keine ausreichend dicke, von mobilen Ladungsträgern befreite Zone geschaffen werden kann, welche ihrerseits Spannung aufnehmen kann. Wird ein hohes elektrisches Feld zwischen Sourcekontakt und Drainkontakt angelegt, so wird am Gate die maximale Durchbruchfeldstärke sehr leicht überschritten. Die Nanodrähte sind gemäß der DE 10 2004 003 374 A1 bevorzugt als halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren ausgeführt, sie können jedoch auch aus anderen Materialien wie Silizium, Germanium, aus verschiedenen III-V-Halbleitern oder II-VI-Halbleitern oder aus einer Kombination aus solchen Materialien bestehen, darüber hinaus können die Nanodrähte auch p-dotiert oder n-dotiert sein.
In der DE 10 2005 046 427 B4 und in der DE 103 24 752 A1 werden Strukturen vorgeschlagen, mit welchen sich hohe Sperrfähigkeiten bei gleichzeitig niedrigen Einschaltwiderständen realisieren lassen. Als Material für die Nanodrähte werden in der DE 10 2005 046 427 B4 beispielsweise Silizium oder Kohlenstoff genannt, wobei es grundsätzlich jedoch nur auf die Halbleiter-Eigenschaften ankommt, und insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren als geeignetes Material für die Nanodrähte genannt werden, da in diesen bekanntermaßen die Beweglichkeit von Ladungsträgern erhöht ist.
Bei den in der DE 103 24 752 A1 beschriebenen Nanodrähten handelt es sich um sogenannte Quantendrähte, bei denen der elektrische Widerstand in einer oder zwei Raumrichtungen quantisiert ist. Durch die Konstanz dieses Widerstands jedes einzelnen Quantendrahts ist der flächenspezifische Einschaltwiderstand von der angelegten Spannung und vom fließenden Strom im Wesentlichen unabhängig, so dass sich der flächenspezifische Einschaltwiderstand ausschließlich durch die geometrische Ausgestaltung der Drähte und die Materialwahl beeinflussen lässt.
Bei der Herstellung der oben näher beschriebenen TEDFET sind die erforderlichen Strukturen, nämlich die vertikale Einbettung eines Dielektrikums in kristallines Silizium über eine Tiefe von ca. 50 µm, wie es für eine Sperrspannung von etwa 600 V benötigt wird, technologisch nur sehr schwer realisierbar. Die Ansteuerung solcher Bauelemente erfordert darüber hinaus auch die Änderung der Schaltungstopologien in den Anwendungen.
Zwar werden in den Schriften, die sich mit der Verwendung von Nanodrähten in Halbleiterbauelementen befassen, eine Vielzahl von möglichen Materialien als verwendbar genannt, überwiegend werden jedoch Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet. Diese lassen sich allerdings nicht so kontrolliert wachsen, dass eine Matrix von vertikalen Röhren mit definierten Eigenschaften innerhalb geringer Toleranzen, d.h. reproduzierbar herstellbar wäre. Zudem erfolgt in Kohlenstoff-Nanoröhren der Transport von Ladungsträgern rein ballistisch, d.h. es kommt nicht oder zumindest nicht in signifikanter Weise zu Streuprozessen an Störstellen, an Oberflächen oder Kristallfehlern. Zwar kann man davon ausgehen, dass bei Nanodrähten aus anderen Materialien der Einfluss von Streueffekten reduziert ist, dies hängt jedoch stark von den Wachstumsbedingungen ab.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Klasse von hochvoltfähigen, vertikalen Leistungsschaltern mit einer Sperrspannung von bis zu 1000 V zu entwickeln, welche gegenüber herkömmlichen Leistungsschaltern einen deutlich reduzierten flächenspezifischen Einschaltwiderstand R_onA aufweisen. Außerdem soll die Länge der Drift-Zone gegenüber Bauelementen aus Silizium reduziert werden, so dass die von Materialien mit großen Bandlücken bekannten Vorteile auch in diesem Fall vorhanden sind. Die Aufgabe besteht außerdem auch darin, ein Herstellungsverfahren für solche Halbleiterbauelemente anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Nanodrähte einen Durchmesser aufweist, welcher von der Größenordnung der thermischen de-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger oder kleiner ist. Nanodrähte mit dieser Eigenschaft weisen für Hochvolt-Leistungsschaltelemente besonders günstige Transporteigenschaften auf. Die thermische de-Broglie-Wellenlänge ist die mittlere de-Broglie-Wellenlänge eines Ladungsträgers – hier eines Elektrons im Leitungsband oder eines Lochs im Valenzband, näherungsweise auch eines freien Elektrons – bei einer bestimmten Temperatur und charakterisiert damit die räumliche Ausdehnung eines Teilchens. Die thermische Wellenlänge λ, welche sich nach der Formel
ergibt, mit dem Planckschen Wirkungsquantum h, der Masse m des Ladungsträgers, der Temperatur T und dem Boltzmann-Faktor k_B, nimmt mit steigender Temperatur T ab. Bei der Auslegung der Dimensionierung der Nanodrähte sollte daher die niedrigste zu erwartende Betriebstemperatur, beispielsweise die übliche Raumtemperatur für Halbleiterbauelemente, die nur in geschlossenen Räumen verwendet werden, zugrunde gelegt werden. Der Durchmesser wird also für eine vorgegebene Betriebstemperatur, welche die thermische Wellenlänge mitbestimmt, festgelegt. Die Wellenlänge freier thermischer Elektronen bei Raumtemperatur liegt etwa bei 20 nm und bestimmt damit die Größenordnung des Durchmessers der Nanodrähte. In Halbleitern, wo als Ladungsträger sowohl Elektronen als auch Löcher in Frage kommen, unterscheidet sich die thermische Wellenlänge dieser Ladungsträger von denen freier Elektronen, da sich Elektronen und Löcher in den Bändern der Kristallstruktur des atomaren Gitters bewegen, so dass hier eigentlich nicht die Masse freier Elektronen zugrunde zu legen ist, sondern die effektive Masse der Elektronen und Löcher, welche von der Krümmung des jeweiligen Leitungs- bzw. Valenzbandes abhängt. Die Größenordnung für den Durchmesser der Nanodrähte von maximal etwa 20 nm wird dabei jedoch nicht wesentlich beeinflusst. In der Praxis werden jedoch Nanodrähte mit wesentlich geringeren Durchmessern im Bereich zwischen 0,5 und 5 nm eingesetzt.
Bei Nanodrähten mit diesen Durchmessern kommt es aufgrund von Quanteneffekten, welche sich bei solch geringen Durchmessern bemerkbar machen, zu einer Veränderung der Bandstruktur. Es bilden sich Subbänder, die Transporteigenschaften werden durch die Änderungen der Bandstruktur beeinflusst und insbesondere wird auch die Bandlücke als Folge des Quanten-Confinements größer. Entsprechend steigt auch die Durchbruchspannung eines Silizium-Nanodrahts mit abnehmenden Durchmesser: Die Durchbruchsfestigkeit eines kristallinen, halbleitenden Materials wird im allgemeinen durch die Stoßionisationsrate, d.h. die Rate der durch schnelle Ladungsträger erzeugten Elektron-Loch-Paare, bei hohem angelegten elektrischen Feld bestimmt. Diese Stoßionisationsrate hängt von der Energie ab, welche für die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren aufgewandt werden muss. Im Idealfall entspricht diese Energie dem Wert der Bandlücke. Mit größerer Bandlücke sinkt jedoch bei gleichbleibender Feldstärke die Ionisationsrate, so dass die maximale Spannungsfestigkeit für Materialien mit großer Bandlücke höher ist als für solche mit kleiner Bandlücke. Indem man also den Drahtdurchmesser so wählt, dass er im Bereich der thermischen Wellenlänge der Ladungsträger liegt, wird die Bandlücke des für die Drahtstruktur verwendeten Materials gegenüber dem Volumenmaterial erhöht und damit auch die maximale Spannungsfestigung gegenüber dem Volumenmaterial. Dies macht es möglich, auch Silizium als Material für Nanodrähte in erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen einzusetzen, dessen Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitung und des Wachstums von Strukturen bestens bekannt sind und welches gegenüber anderen Materialien, wie beispielweise SiC, technologisch mit weniger Aufwand verarbeitet werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Halbleiterbauelements sind zur Einstellung einer vorgegebenen Spannungsfestigkeit die vertikale Ausdehnung der mindestens einen Drift-Zone und der mittlere Durchmesser der Nanodrähte aufeinander abgestimmt, wobei die vertikale Ausdehnung der Driftzone umso geringer gewählt werden kann, je kleiner der mittlere Durchmesser der Nanodrähte ist. Die Nanodrähte werden vorzugsweise aus Silizium gefertigt, können aber auch aus anderen Halbleitermaterialien, wie sie beispielhaft oben bereits aufgeführt wurden, gefertigt werden. Dabei gibt es grundsätzlich für jedes Material einen eigenen optimalen Nanodraht-Durchmesser, da die themische de-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger für verschiedene Materialien in der Regel unterschiedlich ist. Näherungsweise ist es jedoch ausreichend, als Obergrenze des Durchmessers die thermische Wellenlänge von freien Elektronen, also beispielsweise von Elektronen in metallischen Leitern, d.h. 20 nm als maximal zulässigen Durchmesser anzusetzen, was für eine Standardisierung von Herstellungsprozessen für solche Nanodrähte von Vorteil sein kann.
Da bei einer Verringerung des Durchmessers des Nanodrahtes die Bandlücke des verwendeten Halbleiter-Materials vergrößert wird, erfolgt daher implizit auch eine Erhöhung der Sperrspannung bzw. Sperrfähigkeit. Durch eine Verringerung der Länge der Drähte bzw. der vertikalen Ausdehnung des gesamten Bauelements kann die Sperrspannung – sofern gewünscht – wieder auf den Ausgangswert eingestellt werden, d.h. anders ausgedrückt kann bei gleicher Sperrspannung die Dicke bzw. vertikale Ausdehnung der Drift-Zone verringert werden. So liegt beispielsweise für eine Sperrspannung von 600 V die Länge der Drift-Zone bei Nanodrähten aus Silizium, deren Durchmesser größer als die thermische Wellenlänge ist, etwa bei 50 µm. Verwendet man stattdessen Nanodrähte mit einem Durchmesser von etwa 1 nm, so wird die Bandlücke auf etwa 3 eV angehoben, was etwa dem Wert der Bandlücke des 6H-Polytyps von SiC entspricht. Um weiterhin die Sperrspannung von 600 V zu erreichen, kann jedoch die vertikale Ausdehnung der Drift-Zone, d.h. effektiv die Länge der Drähte, auf 5 µm verringert werden. Halbleiterbauelemente mit solchen Strukturen können also etwa um einen Faktor 10 flacher hergestellt werden.
Dabei ist es möglich, die mindestens eine Gate-Zone im Bereich des Deckelements horizontal oder parallel zu den Nanodrähten anzuordnen. Insbesondere für MOSFET-Strukturen kann der MOSFET-Kanal auch vertikal, d.h. parallel zur Richtung der spannungsaufnehmenden Nanodrähte angeordnet sein.
Die Anordnung der Nanodrähte zueinander als Matrix kann prinzipiell beliebig, auch stochastisch erfolgen. Um Halbleiterbauelemente mit reproduzierbaren Eigenschaften zu erhalten, erfolgt die Anordnung der Nanodrähte zweckmäßig jedoch kreisförmig, in einer rechteckigen oder in einer quadratischen Matrix, um nur einige Beispiele zu nennen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Nanodrähte in einer hexagonalen Struktur angeordnet, was eine besonders dichte Packungsweise zulässt, wenn die Drähte einen kreisförmigen Durchmesser haben.
Je nachdem, welcher Typ von Halbleiterbauelement realisiert werden soll, d.h. in Abhängigkeit von der Anordnung der mindestens einen Gate-Zone und / oder der mindestens einen Source-Zone am Deckelement, weist die mindestens eine Drift-Zone Nanodrähte verschiedener Durchmesser, verschiedener Materialien, verschiedener Dotierungen und / oder Nanodrähte mit entlang der Länge variierender Dotierung auf, bzw. ist aus solchen Drähten aufgebaut. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen realisieren, neben klassischen vertikalen MOSFET auch TEDFET, Kompensationsbauelemente und Hochvoltbauelemente auf Basis der Wrapped-Gate-Technologie, um nur einige zu nennen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterbauelement mindestens einen passiven Randbereich und mindestens eine stromtragende Zone auf, wobei in dem passiven Randbereich Nanodrähte mit einem geringeren Durchmesser als in der aktiven, stromtragenden Zone angeordnet sind. Üblicherweise bestehen Hochvoltbauelemente aus einem aktiven, stromtragenden Bereich und einem Bereich erhöhter Spannungsfestigkeit, welcher das Bauelement zum Rand des Elements hin abschließt. Ein solcher Randabschluss ist vorteilhaft, da beispielsweise durch einen Chipsägeprozess in der Sägekante des Chips eine Vielzahl freier Ladungsträger erzeugt wird, was einen Kurzschluss zwischen Source und Drain verursachen kann. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Spannungsfestigkeit im Bereich des Randabschlusses höher auszulegen als im aktiven Bereich des Bauelements. Da dünnere Drähte eine höhere Spannungsfestigkeit bedeuten, lässt sich diese Forderung erfüllen, wenn man im Randbereich dünnere Drähte als im aktiven Bereich anordnet. Aufgrund des strukturellen Aufbaus der Drift-Zone aus voneinander beabstandet angeordneten Nanodrähten kann auf einen solchermaßen gesondert ausgestalteten Randbereich jedoch auch verzichtet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterelement nach Art eines Hochvoltbauelements in der Wrapped-Gate-Technologie ausgeführt. In diesem Fall umfassen die mindestens eine Source-Zone und die mindestens eine Drain-Zone Schichten aus halbleitenden Materialien eines ersten Leitungstyps. Als Leitungstypen kommen beispielsweise Löcherleitung oder Elektronenleitung in Frage. Die Materialien sind dann entweder p-dotiert oder n-dotiert. Die mindestens eine Source-Zone umfasst einen im wesentlichen flächenförmig ausgebildeten, metallischen Source-Kontakt. Bei diesem Bauelement stehen die Nanodrähte an ihrem einen Ende mit der Source-Zone, d.h. dem Source-Kontakt oder der halbleitenden Schicht der Source-Zone, und an ihrem anderen Ende mit einer Drain-Zone in Kontakt, die Drift-Zone wird durch die Nanodrähte gebildet. An der Unterseite der mindestens einen Source-Zone ist ein Gate-Oxid als Isolationsschicht ausgebildet, an der Unterseite dieser Isolationsschicht ist eine Gate-Metallisierungsschicht ausgebildet, so dass sich die Isolationsschicht zwischen Gate-Oxid und der mindestens einen Source-Zone befindet. Die Nanodrähte sind mindestens im Bereich der Gate-Metallisierungsschicht vom Gate-Oxid oder einer anderen Isolationsschicht umhüllt ausgebildet. Diese Umhüllung aus einer isolierenden Schicht kann sich jedoch auch über die ganze Länge der Nanodrähte erstrecken, was herstellungstechnisch von Vorteil sein kann. Dabei nimmt die Gate-Metallisierungsschicht bevorzugt nur einen Bruchteil der Gesamtlänge der Nanodrahtstruktur ein, die Dicke der Gate-Metallisierungsschicht beträgt dann beispielsweise weniger als die Hälfte, bevorzugt weniger als ein Zehntel der Länge der Nanodrähte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Nanodrähte entlang ihrer Länge eine variierende Dotierung auf und sind im Bereich der Gate-Metallisierungsschicht aus einem Material, welches einen zweiten Leitungstyp realisiert und im übrigen Bereich aus einem Material, welches den ersten Leitungstyp realisiert, aufgebaut. Wird der erste Leitungstyp beispielsweise mit einem Material, welches n-dotiert ist, realisiert, so wird der zweite Leitungstyp mit einem Material realisiert, welches p-dotiert ist. Das zugrundeliegende Material kann für beide Leitungstypen selbstverständlich dasselbe sein, welches entsprechend der Aufteilung nur jeweils anders dotiert wird. Dies lässt sich beispielsweise beim Wachsen der Nanodrähte steuern. Silizium ist beispielsweise ein geeignetes Basismaterial zur Realisierung beider Leitungstypen mit entsprechender Dotierung.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleiterbauelement als MOSFET ausgestaltet. Die Drain-Zone umfasst eine erste halbleitende Schicht eines Materials, welches einen ersten Leitungstyp realisiert. Unterhalb dieser Schicht ist ein metallischer, bevorzugt flächenförmig ausgebildeter Drain-Kontakt angeordnet. Die halbleitende Schicht steht mit den Nanodrähten in Kontakt. Im Deckelement, welches bevorzugt horizontal, d.h. senkrecht zur Längsrichtung der Drähte ausgebildet ist, ist mindestens ein Source-Kontakt angeordnet. Um den Source-Kontakt ist eine Body-Zone ausgebildet, welche aus einem Material, welches einen zweiten Leitungstyp realisiert, gebildet ist. Auch diese Body-Zone steht mit den Nanodrähten in Kontakt. Die Body-Zone ist dabei von ihrer räumlichen Ausdehnung so beschaffen, dass sie einen Längsabschnitt der Nanodrähte umfasst, welche mindestens in diesem Bereich aus einem Material, welches den zweiten Leitungstyp realisiert, bestehen.
Im Deckelement sind auch außerdem mindestens zwei Gate-Zonen ausgebildet, wobei eine jede Gate-Zone eine den ersten Leitungstyp realisierende, mit den Nanodrähten in Kontakt stehende zweite halbleitende Materialschicht, eine auf der den Nanodrähten abgewandten Seite anschließende Gate-Oxidschicht und eine darauf angebrachte Gate-Metallisierungsschicht umfasst. Die Ausbildung der Nanodrähte im Bereich der Bodyzone mit einem Material des zweiten Leitungstyps kann dann beispielsweise durch Body-Ausdiffusion erfolgen. Im übrigen Bereich dieser Nanodrähte sind diese dann aus einem Material des ersten Leitungstyps gebildet. Ein solcher MOSFET kann wesentlich flacher als herkömmliche MOSFET gebaut werden.
In der Grundgestaltung eines solchen MOSFET-Bauelements sind die Nanodrähte – bis auf den Bereich in der Body-Zone nach Ausdiffusion – alle vom gleichen Leitungstyp. Zur Realisierung anderer Bauelemente sind jedoch davon Abwandlungen möglich. Soll das Halbleiterbauelement beispielsweise als Kompensationsbauelement ausgestaltet werden, so sind die mit der Bodyzone in Kontakt stehenden Nanodrähte aus einem Material, welches den zweiten Leitungstyp realisiert und die mit dem Gate-Zonen in Kontakt stehenden Nanodrähte aus einem Material, welches den ersten Leitungstyp realisiert, gebildet. Handelt es sich beispielsweise um einen n-Kanal-Kompensationsbauelement, so sind die halbleitenden Schichten, mit welchen die Nanodrähte direkt in Kontakt stehen, aus einem n-dotierten halbleitenden Material, außer im Bereich der Body-Zone, wo das Material p-dotiert ist. Die Nanodrähte, welche direkt unterhalb der Source angeordnet sind und von der Body-Zone bis zur Drain-Zone verlaufen, sind dann vollständig p-dotiert, während in den übrigen Bereichen n-dotierte Nanodrähte angeordnet sind. Die Dotierung erfolgt in diesem Fall bereits bei der Herstellung der Nanodrähte und nicht durch Body-Ausdiffusion. Dabei sind die Bereichsgrenzen nicht strikt zu ziehen. Auch eine Anordnung derart, dass ein n-dotierter Nanodraht in der Matrix nur von p-dotierten Nanodrähten umgeben ist und ein p-dotierter Nanodraht nur von n-dotierten Nanodrähten, sich also p- und n-dotierte Nanordrähte einander abwechseln, ist denkbar.
Die Nanodrähte selbst können aus den oben bereits erwähnten Materialien bestehen. Bevorzugt wird aber als Material Silizium verwendet, welches sich gut verarbeiten lässt, preiswert ist, und welches sich ohne allzu großen Aufwand sowohl p- als auch n-dotieren lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als TEDFET ausgestaltet, wobei auch hier die Grundstruktur des vorangehend bereits beschriebenen MOSFET zugrundegelegt werden kann. Bei diesem Bauelement wesentlich ist, dass die Nanodrähte entlang ihrer Längsrichtung von einem Gate-Oxid umhüllt werden und ein Teil der Nanodrähte als Driftsteuerzonen ausgestaltet sind. Die auch als Akkumulations-Oxidschicht bezeichnete Gate-Oxidschicht kann beispielsweise durch nachträgliche thermische Oxidation der Nanodrähte erzeugt werden. Auch eine Erzeugung dieser Schicht bereits während des Wachstums ist denkbar. Besitzen die Drähte alle den gleichen Durchmesser, so sind sie bevorzugt in einer hexagonalen Matrix angeordnet, um eine möglichst dichte Packungsgröße zu erreichen, so dass das Bauelement auch in seinen lateralen Abmessungen möglichst kompakt hergestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie sie vorangehend beschrieben wurden. Ein solches Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Als erstes wird ein Substrat mit einer Ätzstoppschicht bereitgestellt. Anschließend wird eine Matrix von Nanodrähten erzeugt. Die Drähte werden dann gewachsen, wobei ihre Ausgangsdicke sehr genau eingestellt werden muss. Anschließend wird der Durchmesser der Nanodrähte bevorzugt über thermische Oxidation festgelegt. Als Substrat kann beispielsweise eine Siliziumschicht auf einem Isolator dienen, bei dem eine definierte Ätzstoppschicht mit eingebaut ist. Die aktive Bauelementschicht hat typischerweise eine Dicke von weniger als 1 µm, so dass solche Trägersubstrate notwendig sind. Die Ätzstoppschicht kann beispielsweise eine Oxidschicht sein, die zwei Bereiche kristallinen Siliziums voneinander trennt. Die Matrix kann beispielsweise durch die Anlage geeignete Kristallisationspunkte auf einer der beiden Siliziumschichten definiert werden, die andere Siliziumschicht wird im Laufe des Herstellungsverfahrens weggeätzt. Die Nanodrähte selbst können mit Hilfe von CVD (Chemical Vapor. Deposition) oder anderen geeigneten Verfahren erzeugt werden, wobei hier aufgrund des geringen Durchmessers der Drähte diese von dem Substrat herabhängend wachsen. Der Durchmesser der Nanodrähte wird dann vorzugsweise mit thermischer Oxidation eingestellt. Beispielsweise wird zunächst ein Nanodraht mit einem Durchmesser von 40 nm erzeugt. Anschließend wird eine thermische Oxidation durchgeführt und dabei auf dem Nanodraht eine Oxidschicht erzeugt, die sich ins Innere des Drahtes ausbreitet, je nachdem wie lange der Oxidationsvorgang aufrechterhalten wird. Über die Dicke der Oxidschicht definiert sich dann die Restedicke des Drahtes. Es ist dabei ohne weiteres möglich, aus einem ursprünglich 40 nm dicken Nanodraht einen Draht zu erzeugen, dessen leitender Bereich nur 5 nm Durchmesser hat, während die übrigen 35 nm von der Oxidschicht eingenommen werden. Die Matrix der Nanodrähte wird anschließend stabilisiert, indem sie beispielsweise in eine hochtemperaturfeste, elektrisch isolierende Matrix eingebettet wird. Diese kann nachträglich erzeugt werden, die Einbettung der Nanodrähte kann jedoch auch während des Wachstums erfolgen, indem das Wachstum in einer vordefinierten Matrix erfolgt.
Anschließend wird das Substrat bis zur Ätzstoppschicht zurückgedünnt bzw. weggeätzt und es werden auf der Vorder- und Rückseite die eigentlichen Bauelementstrukturen angebracht. Das vorhandene Substrat dient beispielsweise als halbleitende Schicht des Deckelements und wird für die Gestaltung der Source- bzw. Gate-Zone verwendet. Die Drähte werden in der Regel von oben nach unten wachsen, so dass sie zunächst vom Substrat herabhängen. Die Anschlüsse an der Rückseite werden beispielsweise mit Hilfe von Sputter-Techniken erzeugt. Die Schicht auf der Rückseite kann auch aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, sie kann beispielsweise durch geeignete Epitaxieverfahren wie SELOG (Silicon Epitaxial Lateral Overgrowth) erzeugt werden, womit eine spannungsaufnehmende Schicht realisiert werden kann. Auch Waferbondverfahren lassen sich anwenden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Matrix durch die Oxidation selbst stabilisiert. Da die Oxidation von Silizium mit einem Volumenzuwachs der Gesamtstruktur einhergeht, kann dieser Volumenzuwachs bei entsprechender Dimensionierung zur Stabilisierung der Matrix ausgenutzt werden. So werden zunächst in einer Matrix isoliert angeordnete Silizium-Nanodrähte erzeugt. Eine Oxidation eines Nanodrahtes führt dazu, dass 45% des vorhandenen Drahtmaterials oxidiert werden und 55 % als Volumenzuwachs hinzukommen. Wird beispielsweise eine 10 nm dicke Oxidschicht auf der Oberfläche eines Nanodrahtes erzeugt, nimmt diese im Durchmesser insgesamt um 2 × 5,5 nm zu, wobei der Siliziumkern jedoch im Durchmesser um 2 × 4,5 nm abnimmt. Bei entsprechender Dimensionierung kann somit ausgehend von zunächst isoliert angeordnetem Silizium-Nanodrähten durch Oxidation eine selbststabilisierenden Schicht von Silizium-Nanodrähten und umgebendem Oxid geschaffen werden. Hierfür ist eine hexagonale Anordnung der Nanodrähte besonders geeignet, da dieses der dichtesten möglichen Packung entspricht, wodurch Freiräume zwischen den Drähten minimiert werden, was die Stabilität erhöht, eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht und den Materialverbrauch niedrig hält.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements,
2 eine zweite Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements,
3 eine dritte Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements,
4 eine vierte Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements und
5 einen Querschnitt durch eine Nanodraht-Matrix in einer TEDFET-Struktur.
In 1 ist ein Halbleiterbauelement gezeigt, welches ein Deckelement 1 mit mindestens einer Source-Zone 2 und ein Substratelement 3 mit mindestens einer Drain-Zone 4 umfasst. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem mindestens eine Gate-Zone 5, bei dem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement ist horizontal rechts und links der Source-Zone 2 jeweils eine Gate-Zone 5 ausgebildet. Die Gate-Zonen 5 dienen der Steuerung eines Flusses von Ladungsträgern zur Erzeugung eines elektrischen Stromes zwischen der mindestens einen Source-Zone 2 und der mindestens einen Drain-Zone 4. Die Source-Zone 2 und die Drain-Zone 4 sind in vertikaler Richtung zueinander beabstandet angeordnet. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem mindestens eine Drift-Zone 6, welche in einem Bereich zwischen der mindestens einen Source-Zone 2 und der mindestens einen Drain-Zone 4 angeordnet ist. Die Drift-Zone 6 ist dabei aus einer Vielzahl von parallel zueinander in vertikaler Richtung angeordneten Nanodrähten 7 ausgebildet, die Nanodrähte 7 sind aus halbleitenden Materialien gefertigt. Mindestens ein Teil der Nanodrähte 7 weisen dabei einen Durchmesser auf, welcher von der Größenordnung der thermischen de-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger oder kleiner ist. In guter Näherung kann hier als Obergrenze für den Durchmesser die thermische Wellenlänge von freien Elektronen angesetzt werden, welche bei etwa 20 nm liegt. Typische Drahtdurchmesser liegen im Bereich zwischen 0,5 und 15 nm, je nach Material und gewünschter Sperrspannung. Zur Einstellung einer vorgegebenen Spannungsfestigkeit sind dabei die vertikale Ausdehnung der mindestens einen Drift-Zone 6 und der mittlere Durchmesser der Nanodrähte 7 aufeinander abgestimmt. Im gezeigten Beispiel sind die Gate-Zonen 5 im Bereich des Deckelements 1 horizontal ausgebildet, sie können aber auch vertikal, d.h. parallel zu den Nanodrähten angeordnet sein. Die Gate-Zonen 5 sind hier im Bereich des Deckelements 1 angeordnet.
Um verschiedene Halbleiterbauelemente realisieren zu können, d.h. insbesondere in Abhängigkeit von der Anordnung und der Ausgestaltung der mindestens einen Gate-Zone 5 und / oder der mindestens einen Source-Zone 2 im Bereich des Deckelements 1 weist die mindestens eine Drift-Zone 6 bevorzugt Nanodrähte 7 verschiedener Durchmesser, aus verschiedenen Materialien, mit verschiedenen Dotierungen und / oder mit entlang der Länge der Nanodrähte 7 variierender Dotierung auf.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Halbleiterbauelement als klassischer, vertikaler MOSFET ausgestaltet. Das Substratelement 3 umfasst eine Metallschicht 8, welche als Drain-Kontakt dient und eine darauf angeordnete erste halbleitende Schicht 9 eines Materials, welches einen ersten Leitungstyp realisiert. Diese halbleitende Schicht 9 steht mit den Nanodrähten 7 in Kontakt. Im Deckelement 1 ist mindestens ein Source-Kontakt 10 angeordnet, um diesen Source-Kontakt 10 ist eine Body-Zone 11 ausgebildet, welche aus einem Material gebildet ist, das einen zweiten Leitungstyp realisiert. Die Body-Zone 11 steht ebenfalls mit den Nanodrähten 7 in Kontakt und umfasst einen Längsabschnitt der Nanodrähte 7, welche mindestens in diesem Bereich aus einem Material bestehen, welches de zweiten Ladungstyp realisiert. Dieser Längsabschnitt nimmt etwa ein Zehntel bis ein Fünftel der Länge der Nanodrähte bzw. der vertikalen Ausdehnung der Drift-Zone 6 in Anspruch. Im Deckelement 1 sind außerdem mindestens 2 Gate-Zonen 5 rechts und links der Body-Zone 11 ausgebildet. Eine jede Gate-Zone 5 umfasst eine mit den Nanodrähten 7 in Kontakt stehende zweite halbleitende Schicht 12, welche aus einem Material ist, das den ersten Leitungstyp realisiert, eine Gate-Oxidschicht 13, welche auf der zweiten halbleitenden Schicht 12 auf der den Nanodrähten abgewandten Seite aufgebracht ist, sowie eine auf die Gate-Oxidschicht 13 aufgebrachte Gate-Metallisierungsschicht 14. Für einen n-Kanal-MOSFET wird der erste Leitungstyp beispielsweise mittels n-dotierter Materialien und der zweite Leitungstyp mit p-dotierter Materialien realisiert, wobei das Basismaterial in beiden Fällen gleich – beispielsweise Silizium – sein kann und nur unterschiedlich dotiert wird. Die erste halbleitende Schicht 9 und die zweite halbleitende Schicht 12 sind dann n-dotiert ebenso wie die unterhalb der Gate-Zonen 5 angeordneten Nanodrähte 7. Die Body-Zone 11 ist p-dotiert, ebenso der obere Bereich der Nanodrähte 7 im Bereich der Body-Zone 11, während der untere Bereich dieser Drähte außerhalb der Body-Zone 11 n-dotiert ist. Die p-Dotierung der Nanodrähte 7 im Bereich der Body-Zone 11 kann beispielsweise mittels Body-Ausdiffusion erfolgen. Für einen p-Kanal-MOSFET werden die Dotierungen umgekehrt gewählt. Der Stromfluss erfolgt in der Regel vom Source-Kontakt 10 über halbleitende Source-Schichten 23 und Kanal-Zonen 22 außerhalb der Body-Zone 11 in die Drift-Zone. Grundsätzlich ist es somit auch möglich, dass die Nanodrähte 7 nicht nur mit der Body-Zone 11 und über die zweite halbleitende Schicht 12 mit der Gate-Zone 5, sondern auch mit der Kanal-Zone 22 und über die halbleitenden Source-Schichten 23 mit der Source-Zone 2 in – dann allerdings indirektem – Kontakt stehen.
Eine Abwandlung des Halbleiterbauelements, welches in 1 gezeigt ist, ist in 2 dargestellt. Hier sind im Bereich unter der Body-Zone 11 diejenigen Nanodrähte 15, die mit der Body-Zone 11 in Kontakt stehen, aus einem Material, welches den zweiten Ladungstyp realisiert, während die mit den Gate-Zonen 5 bzw. den entsprechenden zweiten halbleitenden Schichten 12 in Kontakt stehenden Nanodrähte 7 aus einem dem ersten Ladungstyp realisierenden Material sind. In Abwandlung des in 1 gezeigten Halbleiterbauelements sind die mit der Body-Zone 11 in Kontakt stehenden Nanodrähte 15 hier dann vollständig aus einem p-dotierten Material gefertigt. Auf diese Weise lässt sich ein Kompensationsbauelement realisieren. Bereiche mit n-dotierten Nanodrähten 7 und solche mit p-dotierten Nanodrähten 15 sind jeweils gebündelt. Basismaterial kann auch hier jeweils Silizium sein, welches unterschiedlich dotiert wird; es können aber auch unterschiedliche halbleitende Basismaterialien verwendet werden.
Dabei kann die Dotierung entlang der Nanodrähte beim Wachsen im Prinzip beliebig variiert werden, so dass nahezu jeder gewünschte Feldverlauf eingestellt werden kann. Insbesondere kann die Dotierung entlang der Richtung der Nanodrähte auch periodisch, beispielsweise annähernd sinusförmig, variiert werden. Damit entstehen im Feldverlauf Maxima und Minima, die für die Robustheit der Bauelemente entscheidend sein können.
Ein weiteres Beispiel für ein Halbleiterbauelement ist in 3 gezeigt. Bei diesem Bauelement sind ebenfalls Nanodrähte zwischen einem Substratelement 3 und einem Deckelement 1 angeordnet, auf welchem sich Schaltstrukturen befinden, angeordnet. In dieses Bauelement sind jedoch Drähte verschiedenen Durchmessers integriert. Das hier gezeigte Hochvoltbauelement weist einen passiven Randbereich 17 und eine stromtragende Zone 18 auf, der passive Randbereich 17 ist mit einem sogenannten Feldplattenrandabschluss versehen, die Drift-Zone weist hier gegenüber der stromtragenden Zone eine erhöhte Spannungsfestigkeit auf. In dem mindestens einem passiven Randbereich 17 sind Nanodrähte 7 mit einem geringeren Durchmesser als in der mindestens einen stromtragenden Zone 18 angeordnet. Die dort angeordneten stromtragenden Nanodrähte 16 haben einen größeren Durchmesser als die im passiven Randbereich angeordneten Nanodrähte 7: So beträgt der Durchmesser der stromtragenden Nanodrähte 16 beispielsweise 15 nm, der Durchmesser der im passiven Randbereich 17 angeordneten Nanodrähte 7 beträgt dann nur etwa 1 nm. Der Abstand zwischen Deckelement 1 und Substratelement 3 – welches beispielsweise aus einer halbleitenden Schicht, die mit den Nanodrähten 7 und den stromtragenden Nanodrähten 16 in Kontakt steht, und einer metallischen Schicht besteht – beträgt etwa 5 µm. Der Durchmesser der Nanodrähte kann dabei von der stromtragenden Zone 18 zum passiven Randbereich 17 hin auch schrittweise variiert werden, d.h. schrittweise verringert werden. Auf diese Weise ist eine besonders genaue Steuerung des Verlaufs des elektrischen Feldes möglich.
In 4 schließlich ist eine weitere Ausführung eines Halbleiterbauelements dargestellt, bei welchem die Wrapped-Gate-Technologie realisiert wird. Hier umfasst die mindestens eine Drain-Zone 4 eine zweite halbleitende Schicht 9 aus einem Material, welches eine ersten Leitungstyp realisiert, während die Source-Zone 2 einen im wesentlichen flächenförmigen Source-Kontakt 10 umfasst. Die zweite halbleitende Schicht 9 der Drain-Zone 4 steht an ihrer Unterseite außerdem mit einem Drain-Kontakt 21 in Kontakt. Die Nanodrähte stehen an ihrem einen Ende mit dem Source-Kontakt 10 und an ihrem anderen Ende mit der mindestens einen Drain-Zone 4, d.h. der zweiten halbleitenden Schicht 9 in Kontakt. An der Unterseite des flächenförmigen Source-Kontakts 10 ist eine Gate-Oxidschicht 13 als isolierende Schicht angeordnet. Zwischen Source-Kontakt 10 und der Gate-Oxidschicht 13 kann eine zweite halbleitende Schicht angeordnet sein. An der Unterseite dieser Gate-Oxidschicht 13 wiederum ist eine Gate-Metallisierungsschicht 14 ausgebildet. Ein im wesentlichen flächenförmiger Source-Kontakt 10 bedeutet, dass die Ausdehnung dieses Elements lateral wesentlich größer als vertikal ist.
Das besondere bei dieser Ausgestaltung des Halbleiterbauelements ist, dass die Nanodrähte 7 mindestens im Bereich der Gate-Metallisierungsschicht 14 von einem Gate-Oxid 19 umhüllt ausgebildet sind. Als Gate-Oxid 19 wird üblicherweise das gleiche verwendet, welches für die Gate-Oxidschicht 13 verwendet wird, da dies im Wachstumsprozess am einfachsten zu kontrollieren ist. Die Nanodrähte 7 können aber auch, wie in 4 gezeigt, entlang ihrer gesamten Länge von dem Gate-Oxid 19 umhüllt sein. Ein weiterer Punkt ist, dass die Dicke der Gate-Metallisierungsschicht 14 weniger als die Hälfte, bevorzugt weniger als ein Zehntel der Länge der Nanodrähte 7 beträgt. Durch diese Konstruktionsweise wird die Sperrspannung wesentlich erhöht, was den Einsatz als Hochvoltbauelement möglich macht, während im Stand der Technik Halbleiterbauelemente mit einem Wrapped-Gate bisher nur für Logikschaltungen verwendet werden konnten. Für einen n-Kanal-MOSFET ist der obere Teil der Nanodrähte 7 p-dotiert und der spannungsaufnehmende längere, untere Teil n-dotiert, ebenso wie die zweite halbleitende Schicht 9 der Drain-Zone 4. Im Bereich der Gate-Metallisierungsschicht 14 weisen die Nanodrähte 7 also eine vom übrigen Bereich der Nanodrähte verschiedenen Dotierung auf, so dass hier ein Material eines zweiten Leitungstyps realisiert ist. Das Basismaterial kann jeweils dasselbe sein, beispielsweise kristallines Silizium, und in unterschiedlicher Dotierung verwendet werden. Die Dotierung kann beispielsweise bei der Herstellung der einzelnen Teile eines Halbleiterbauelements durch Wachsen erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement als TEDFET ausgestaltet. Ein solches Bauelement ist in 5 ausschnittsweise im Querschnitt durch einige Nanodrähte gezeigt. Die Drift-Zone 6 wird wie üblich durch Nanodrähte 7 gebildet. Ein Teil der Nanodrähte ist jedoch als Drift-Steuerzone 20 ausgebildet, mit welcher die Leitfähigkeit der Drift-Zone gesteuert wird. Die Nanodrähte 7 der Drift-Zone und der Driftsteuerzone 19 können aus dem gleichen Material gefertigt sein. Alle Nanodrähte 7 sowie die Nanodrähte der Drift-Steuerzone 20 sind jedoch von einem Mantel aus Gate-Oxid 19 umgeben, so dass eine galvanische Trennung zwischen Drift-Zonen 6 und Drift-Steuerzonen 20 vorliegt. Das Gate-Oxid 19 kann beispielsweise als Akkumulationsoxid sein, welches beispielsweise durch thermische Oxidation des Materials der Nanodrähte – für welche sich beispielsweise Silizium eignet – erzeugt wird.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten TEDFET müssen keine Gräben oder Sacklöcher in das Grundmaterial eingebracht werden, welche im Stand der Technik thermisch oxidiert und epitaktisch verfüllt werden, wobei an der Grenzfläche zwischen Silizium und dem Oxid Störstellen eingebaut werden, deren aufsummierte Ladung leicht den Wert der Durchbruchsladung erreichen kann. Bei dem in 5 auszugsweise dargestellten Bauelement werden solche Probleme vermieden. Ein solcher TEDFET kann gegenüber im Stand der Technik bekannten TEDFET flacher und mit einer höheren Spannungsfestigkeit realisiert werden. Das Gate-Oxid 19 kann nicht nur als Akkumulationsoxid auf thermischer Oxidation basierend ausgestaltet sein, die Oxidschicht kann auch beim Wachstum der Drähte auf der Oberfläche des Nanodrahts erzeugt werden. Bei dem in 5 gezeigten Bauelement sind die Durchmesser der Nanodrähte für die Drift-Zonen 6 und für die Drift-Steuerzonen 20 noch identisch, was jedoch nicht zwingend ist. Der gleiche Durchmesser ermöglicht jedoch eine besonders dichte, hexagonale Anordnung der Drähte zueinander. Bei unterschiedlichen Durchmessern sind auch andere Anordnungen, beispielsweise eine kreisförmige Anordnung mehrerer Nanodrähte 7 um eine Drift-Steuerzone 20 größeren Durchmessers möglich. Auch die runde Form der Nanodrähte ist nicht zwingend, jedoch feldtechnisch von Vorteil.
Durch die Dimensionierung der Nanodrähte mit Durchmessern kleiner als der thermischen Wellenlänge der jeweiligen Ladungsträger, bzw. näherungsweise freier Elektronen und einer Steuerung dieses Durchmessers lässt sich die Spannungsfestigkeit des verwendeten Materials über jene des Volumenmaterials hinaus vergrößern und einstellen, was es ermöglicht Hochleistungsbauelemente platzsparender zu konstruieren.
Bezugszeichenliste

1: Deckelement
2: Source-Zone
3: Substratelement
4: Drain-Zone
5: Gate-Zone
6: Drift-Zone
7: Nanodraht
8: Metallschicht
9: erste halbleitende Schicht
10: Source-Kontakt
11: Body-Zone
12: zweite halbleitende Schicht
13: Gate-Oxidschicht
14: Gate-Metallisierungsschicht
15: Nanodraht
16: Nanodraht
17: passive Randzone
18: stromtragende Zone
19: Gate-Oxid
20: Driftsteuerzone
21: Drain-Kontakt
22: Kanal-Zone
23: halbleitende Source-Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005046711 B4 [0008]
DE 102004003374 A1 [0010, 0010]
DE 102005046427 B4 [0011, 0011]
DE 10324752 A1 [0011, 0012]

Claims

Halbleiterbauelement, umfassend – ein Deckelement (1) mit mindestens einer Source-Zone (2), – ein Substratelement (3) mit mindestens einer Drain-Zone (4), – wobei die mindestens eine Source-Zone (2) und die mindestens eine Drain-Zone (4) in vertikaler Richtung zueinander beabstandet angeordnet sind, – mindestens eine Drift-Zone (6), welche in einem Bereich zwischen der mindestens einen Source-Zone (2) und der mindestens einen Drain-Zone (4) angeordnet ist, wobei die Drift-Zone (6) aus einer Vielzahl von parallel zueinander in vertikaler Richtung angeordneten Nanodrähten (7) aus halbleitenden Materialien ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Teil der Nanodrähte (7) einen Durchmesser aufweist, welcher von der Größenordnung der thermischen de-Broglie-Wellenlänge von zwischen der mindestens einen Source-Zone (2) und der mindestens einen Drain-Zone (4) fließenden Ladungsträgern zur Erzeugung eines elektrischen Stromes oder kleiner ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer vorgegebenen Spannungsfestigkeit die vertikale Ausdehnung der mindestens einen Drift-Zone (6) und der mittlere Durchmesser der Nanodrähte (7) aufeinander abgestimmt sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens eine Gate-Zone (5) zur Steuerung eines Flusses von Ladungsträgern, wobei die Gate-Zone (5) vorzugsweise im Bereich des Deckelements (1) horizontal oder parallel zu den Nanodrähten (7) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Anordnung der mindestens einen Source-Zone (6) und/oder, falls vorhanden, der mindestens einen Gate-Zone (5) im Bereich des Deckelements (1) die mindestens eine Drift-Zone (6) Nanodrähte (7) verschiedener Durchmesser, verschiedener Materialien, verschiedener Dotierung und/oder mit entlang der Länge der Nanodrähte (7) variierender Dotierung aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen passiven Randbereich (17) und mindestens eine stromtragende Zone (18) aufweist, wobei in dem mindestens einen passiven Randbereich (17) Nanodrähte (7) mit einem geringeren Durchmesser als in der mindestens einen stromtragenden Zone (18) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als Wrapped-Gate-Hochvoltbauelement ausgeführt ist und – die mindestens eine Drain-Zone (4) eine erste halbleitende Schicht aus einem Material eines ersten Leitungstyps umfasst, – die mindestens eine Source-Zone (2) einen im wesentlichen flächenförmig ausgebildeten Source-Kontakt (10) umfasst, – die Nanodrähte (7) an ihrem einen Ende mit der Source-Zone (2) und an ihrem anderen Ende mit der mindestens einen Drain-Zone (4) in Kontakt stehen, – an der Unterseite des Source-Kontakts (10) eine Gate-Oxidschicht (13) als Isolationsschicht ausgebildet ist, – an der Unterseite der Gate-Oxidschicht (13) eine Gate-Metallisierungsschicht (14) ausgebildet ist, und – die Nanodrähte (7) mindestens im Bereich der Gate-Metallisierungschicht (14) von einem Gate-Oxid (19) umhüllt ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (7) im Bereich der Gate-Metallisierungsschicht (14) aus einem einen zweiten Leitungstyp realisierenden Material gefertigt sind, und im übrigen Bereich aus einem Material, welches den ersten Leitungstyp realisiert.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gate-Metallisierungsschicht (14) weniger als die Hälfte, bevorzugt weniger als ein Zehntel der Länge der Nanodrähte (7) beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – es als MOSFET ausgestaltet ist und die mindestens eine Drain-Zone (4) eine Gate-Metallisierungsschicht (8) und eine darauf angeordnete erste halbleitende Schicht (9) eines einen ersten Leitungstyp realisierenden Materials, welche mit den Nanodrähten (7) in Kontakt steht, umfasst, – im Deckelement (1) mindestens ein Source-Kontakt (10) angeordnet ist, und um den Source-Kontakt (10) eine Body-Zone (11) ausgebildet ist, welche aus einem einen zweiten Leitungstyp realisierenden Material gebildet ist und mit den Nanodrähten (7) in Kontakt steht, wobei die Body-Zone (11) einen Längsabschnitt der Nanodrähte (7) umfasst, welche mindestens in diesem Bereich aus einem den zweiten Leitungstyp realisierenden Material bestehen, – im Deckelement (1) mindestens zwei Gate-Zonen (5) ausgebildet sind, wobei eine jede Gate-Zone (5) eine den ersten Leitungstyp realisierende, mit den Nanodrähten (7) in Kontakt stehende zweite halbleitende Schicht (12), eine auf der den Nanodrähten (7) abgewandten Seite anschließende Gate-Oxidschicht (13) und eine darauf angebrachte Gate-Metallisierungsschicht (14) umfasst.
Halbleiterelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kompensationsbauelement ausgestaltet ist, die mit der Body-Zone (11) in Kontakt stehenden Nanodrähte (15) aus einem den zweiten Leitungstyp realisierenden Material und die mit den Gate-Zonen (5) in Kontakt stehenden Nanodrähte (7) aus einem den ersten Leitungstyp realisierenden Material sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungstyp mittels n-dotierter Materialien und der zweite Leitungstyp mittels p-dotierter Materialien realisiert ist, wobei das Material bevorzugt n- oder p-dotiertes Silizium ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (7) entlang ihrer Längsrichtung von einem Gate-Oxid (19) umhüllt werden und ein Teil der Nanodrähte (7) als Driftsteuerzonen (20) ausgestaltet ist, so dass das Bauelement als TEDFET ausgestaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach den Ansprüchen 1 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Substrats mit einer Ätzstoppschicht, – Erzeugung einer Matrix von Nanodrähten (7), wobei der Durchmesser der Nanodrähte (7) über thermische Oxidation festgelegt wird, – Stabilisierung der Matrix von Nanodrähten (7), – Anbringung der Bauelementstrukturen auf beiden Seiten der Matrix von Nanodrähten (7).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Oxidation eine Selbstabilisierung der Matrix erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (7) hexagonal angeordnet werden.