DE102015103070A1 - Leistungshalbleitervorrichtung einschliesslich trenchgatestrukturen mit zu einer hauptkristallrichtung geneigten longitudinalachsen - Google Patents

Leistungshalbleitervorrichtung einschliesslich trenchgatestrukturen mit zu einer hauptkristallrichtung geneigten longitudinalachsen Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (500) umfasst einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Hauptkristallrichtung (401) parallel zu einer horizontalen Ebene. Longitudinal- bzw. Längsachsen (159) von Trenchgatestrukturen (150) sind zu der ersten Hauptkristallrichtung (401) um einen Neigungswinkel (φ) von wenigstens 2 Grad und höchstens 30 Grad in der horizontalen Ebene geneigt. Mesateile (170) sind zwischen benachbarten Trenchgatestrukturen (150). Erste Seitenwandabschnitte (104a) von ersten Mesaseitenwänden (104) sind Hauptkristallebenen parallel zu der ersten Hauptkristallrichtung (401). Zweite Seitenwandabschnitte (104b), die zu den ersten Seitenwandabschnitten (104a) geneigt sind, verbinden die ersten Seitenwandabschnitte (104).

Description

  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleitervorrichtungen können eine Sperrspannung bis zu mehr als 1000 Volt bei einem hohem Nennstrom aushalten. Typischerweise fließt ein Laststrom durch eine Leistungshalbleitervorrichtung in einer vertikalen Richtung zwischen den zwei Hauptebenen eines Halbleiterkörpers der Leistungshalbleitervorrichtung. Gateelektroden zum Steuern des Laststromes können in Trenchgatestrukturen gebildet sein, die sich von einer der Hauptebenen in den Halbleiterkörper erstrecken. In üblichen Halbleitermaterialien, wie kristallinem Silizium, können die Seitenwände der Trenchgatestrukturen angenähert vertikale Seitenwände sein. In Halbleiterkörpern mit einer Hauptkristallrichtung, die leicht zu der vertikalen Richtung um einen Versetzungs- bzw. Aus-Winkel von einigen Grad geneigt ist, beispielsweise in einigen Siliziumcarbidvorrichtungen, kann ein definiertes kegelförmiges oder spitzes Zulaufen der Trenchgatestrukturen den Versetzungswinkel kompensieren, so dass Gate-gesteuerte bzw. gated Inversionskanäle in Hauptkristallebenen mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit gebildet werden können.
  • Es ist wünschenswert, Vorrichtungseigenschaften und Vorrichtungszuverlässigkeit von Halbleitervorrichtungen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Halbleiterkörper mit einer ersten Hauptkristallrichtung parallel zu einer horizontalen Ebene. Longitudinal- bzw. Längsachsen von Trench- bzw. Grabengatestrukturen sind zu der ersten Hauptkristallrichtung um einen Neigungswinkel von wenigstens 2 Grad bzw. ° und höchstens 30 Grad bzw. ° in der horizontalen Ebene geneigt. Mesateile sind zwischen benachbarten Trenchgatestrukturen. Erste Seitenwandabschnitte von ersten Mesaseitenwänden sind Hauptkristallebenen parallel zu der ersten Hauptkristallrichtung. Zweite Seitenwandabschnitte, die zu den ersten Seitenwandabschnitten geneigt sind, verbinden die ersten Seitenwandabschnitte.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung ein Bilden eines Trenches bzw. Grabens in einem Halbleitersubstrat aus kristallinem Halbleitermaterial. In dem Halbleitersubstrat ist eine erste Hauptkristallrichtung parallel zu einer horizontalen Ebene. Eine Longitudinal- bzw. Längsachse des Trenches ist in der ersten Hauptkristallrichtung um einen Neigungswinkel von wenigstens 2 Grad und höchstens 30 Grad in der horizontalen Ebene geneigt. In einer Inertatmosphäre wird das Halbleitersubstrat bis zu einer Temperatur erwärmt, bei welcher sich Atome des Halbleitermaterials längs der Hauptkristallebenen umordnen bzw. neu ordnen, wobei Wiederauftragungsbereiche Seitenwandstufen bilden, die eine winkelmäßige Fehlausrichtung zwischen der Longitudinalachse des Trenches und den Hauptkristallebenen kompensieren. Eine Opferschicht wird gebildet, die die Wiederauftragungsbereiche enthält.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu geben, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine schematische horizontale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das Trenchgatestrukturen mit Longitudinalachsen betrifft, die zu einer ersten Hauptkristallrichtung geneigt sind.
  • 1B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 1A längs einer Linie B-B.
  • 2 zeigt schematisch einen Teil eines hexagonalen Kristallgitters zum Diskutieren des Hintergrundes der Ausführungsbeispiele.
  • 3A ist eine schematische Draufsicht einer oberen Oberfläche eines Teiles eines Halbleiterwafers, wobei die Longitudinalachse einer Trenchgatestruktur in perfekter Ausrichtung mit einer vertikalen Projektion einer ersten Hauptkristallrichtung in eine horizontale Ebene ist, um, hilfreich für das Verständnis der Ausführungsbeispiele, einen Hintergrund zu diskutieren.
  • 3B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung des Halbleiterwaferteiles von 3A längs einer Linie B-B.
  • 4A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Halbleitersubstrates mit einem streifenförmigen Trench, der leicht zu einer ersten Hauptkristallrichtung geneigt ist, um einen Hintergrund, nützlich für das Verständnis der Ausführungsbeispiele nach Ätzen des Trenches und vor einer Wärmebehandlung, zu diskutieren.
  • 4B ist eine schematische Draufsicht des Halbleitersubstratteiles von 4A nach einer Wärmebehandlung.
  • 5A ist eine schematische Draufsicht eines Teiles eines Halbleitersubstrates mit einem streifenförmigen Trench, wobei dessen Longitudinalachse um einen Neigungswinkel von wenigstens 2 Grad zu einer ersten Hauptkristallrichtung geneigt ist, um ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach Ätzen des Trenches zu veranschaulichen.
  • 5B ist eine schematische Draufsicht des Halbleitersubstratteiles von 5A nach einer Wärmebehandlung.
  • 5C ist eine schematische Draufsicht des Halbleitersubstratteiles von 5B nach Bilden einer Opferschicht.
  • 5D ist eine schematische Draufsicht des Halbleiterwaferteiles von 5C nach Bilden einer Trenchgatestruktur.
  • 6A ist eine schematische horizontale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das einen IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) einschließlich Mesateilen mit Transistorzellen an einer ersten Seite betrifft.
  • 6B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 6A längs einer Linie B-B.
  • 7A ist eine schematische horizontale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf einen IGFET mit Spacer- bzw. Abstandshaltergateelektroden bezogen ist.
  • 7B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 7A längs einer Linie B-B.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Andere Ausführungsbeispiele können verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel verwendet sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen benutzt werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe zeigen das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel können sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-dotierten Bereiches ist, während ein ”n+”-dotierter Bereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-dotierter Bereich. Dotierte Bereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-dotierte Bereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A bis 1B beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, die Transistorzellen TC umfasst. Die Halbleitervorrichtung 500 kann ein IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) sein oder umfassen, beispielsweise ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET) in der üblichen Bedeutung einschließlich FETs mit Metall-Gates sowie FETs mit Nicht-Metall-Gates, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder eine MCD (MOS gesteuerte Diode) als Beispiel.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 beruht auf einem Halbleiterkörper 100 aus kristallinem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium (S1), Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendeinem anderen AIIIBV-Halbleiter. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat das kristalline Halbleitermaterial ein hexagonales Kristallgitter, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) oder ein AIIIBV-Halbleiter, wie Galliumnitrid (GaN) als Beispiel. Beispielsweise ist das Halbleitermaterial Siliziumcarbid des 4H-Polytyps (4H-SiC).
  • An einer Vorder- bzw. Frontseite hat der Halbleiterkörper 100 eine erste Oberfläche 101, die planar sein kann oder die koplanare Oberflächenabschnitte aufweisen kann, wobei die planare erste Oberfläche 101 oder die koplanaren Oberflächenabschnitte mit einer Hauptkristallebene zusammenfallen oder zu einer Hauptkristallebene um einen Versetzungswinkel α geneigt sein können, dessen Absolutwert wenigstens 2 Grad und höchstens 12 Grad, beispielsweise etwa 4 Grad, betragen kann.
  • Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 101 gezackt bzw. gezahnt und umfasst parallele erste Oberflächenabschnitte 101a, die zueinander verschoben und zu einer horizontalen Ebene geneigt sind, sowie zweite Oberflächenabschnitte 101b, die zu den ersten Oberflächenabschnitten 101a geneigt sind und die die ersten Oberflächenabschnitte 101a verbinden. Eine Querschnittlinie der gezackten Oberfläche 101 nähert sich einer Sägezahnlinie an. Die horizontale Ebene ist parallel zu einer mittleren Oberflächenebene 101x, die durch die kleinsten Quadrate der mittleren Ebene der ersten Oberfläche 101 gegeben ist. Im Fall einer gleichmäßigen Länge der ersten Oberflächenabschnitte 101a über der ersten Oberfläche 101 schneidet die mittlere Oberflächenebene 101x Stufen 108, die durch die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte 101a, 101b gebildet sind an der halben Stufenhöhe. Falls die erste Oberfläche 101 planar ist, fällt die mittlere Oberflächenebene 101x mit der ersten Oberfläche 101 zusammen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Hauptkristallrichtung 400 zu der Normalen zu der mittleren Oberflächenebene 101x des Halbleiterkörpers 100 um einen Versetzungsachswinkel α geneigt sein, und die ersten Oberflächenabschnitte 101a sind zu der mittleren Oberflächenebene 101x um den Versetzungsachswinkel α geneigt.
  • Auf der Rückseite kann sich eine entgegengesetzte zweite Oberfläche 102 parallel oder geneigt zu der mittleren Oberflächenebene 101x erstrecken oder kann Oberflächenabschnitte parallel zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 101a, 101b der ersten Oberfläche 101 aufweisen. Ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 an der Vorderseite und der zweiten Oberfläche 102 an der Rückseite ist bezogen auf eine Nennsperrspannung der Halbleitervorrichtung 500. Typischerweise umfasst der Halbleiterkörper 100 einen ersten vertikalen Teil, der das angelegte elektrische Feld in dem Sperrzustand aufnimmt, wobei die Dicke des ersten Teiles proportional zu der Nennsperrspannung ist und die elektrische Felddurchbruchstärke definiert, während die Dicke von weiteren vertikalen Teilen, beispielsweise von einem Substratteil, nicht auf die Nennsperrspannung bezogen ist.
  • Eine Gesamtdicke des Halbleiterkörpers 100 zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 kann in dem Bereich von einigen hundert nm bis einigen hundert μm sein. Die Normale zu der mittleren Oberflächenebene 101x definiert eine vertikale Richtung. Richtungen parallel zu der mittleren Oberflächenebene 101x sind horizontale Richtungen.
  • Die Transistorzellen TC sind längs Trenchgatestrukturen 150 gebildet, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken, wobei Teile des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Trenchgatestrukturen 150 Mesateile 170 bilden.
  • Eine Longitudinal- bzw. Längserstreckung bzw. -ausdehnung der Trenchgatestrukturen 150 längs der ersten horizontalen Richtung kann größer sein als eine Breite längs einer zweiten horizontalen Richtung senkrecht zu der ersten horizontalen Richtung. Die Trenchgatestrukturen 150 können lange Streifen sein, die sich von einer Seite eines Transistorzellgebietes zu einer entgegengesetzten Seite erstrecken, wobei die Länge der Trenchgatestrukturen bis zu einigen Millimetern betragen kann.
  • Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann eine Vielzahl von getrennten Trenchgatestrukturen 150 längs einer Linie angeordnet sein, die sich von einer Seite des Transistorzellgebietes zu der entgegengesetzten Seite erstreckt, oder die Trenchgatestrukturen 150 können ein Gitter bilden, wobei die Mesateile 170 in den Maschen des Gitters gebildet sind.
  • Die Trenchgatestrukturen 150 können gleich beabstandet sein, können eine gleiche Breite haben und können ein regelmäßiges Muster bilden, wobei eine Teilung bzw. ein Pitch (Mitte-zu-Mitte-Abstand) der Trenchgatestrukturen 150 in einem Bereich von 1 μm bis 10 μm, beispielsweise von 2 μm bis 5 μm, sein kann. Eine vertikale Ausdehnung der Trenchgatestrukturen 150 kann in einen Bereich von 0,3 μm bis 5 μm, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 μm bis 2 μm, sein.
  • Die Trenchgatestrukturen 150 umfassen eine leitende Gateelektrode 155, die eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht oder eine Metall enthaltende Schicht umfassen oder aus einer solchen bestehen kann. Die Trenchgatestrukturen 150 umfassen weiterhin ein Gatedielektrikum 151, das die Gateelektrode 155 von dem Halbleiterkörper 100 längs wenigstens einer Seite der Trenchgatestrukturen 150 trennt. Das Gatedielektrikum 151 kann ein Halbleiterdielektrikum, beispielsweise thermisch gewachsenes oder aufgetragenes Halbleiteroxid, z. B. Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise aufgetragenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, beispielsweise Siliziumoxinitrid, irgendein anderes aufgetragenes bzw. abgeschiedenes dielektrisches Material oder eine Kombination hiervon umfassen oder aus einem solchen bestehen. Das Gatedielektrikum 151 kann für eine Schwellenspannung der Transistorzellen TC in einem Bereich von 1,5 V bis 6 V gebildet sein. In Endteilen der Trenchgatestrukturen 150 kann das Gatedielektrikum 151 dicker sein als in aktiven Teilen der Transistorzellen TC, um die Vorrichtungszuverlässigkeit zu verbessern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Endteile vollständig mit einem dielektrischen Material, wie einem Siliziumoxid, gefüllt sein.
  • Die Trenchgatestrukturen 150 können exklusiv die Gateelektrode 155 und das Gatedielektrikum 151 umfassen oder können weitere leitende und/oder dielektrische Strukturen zusätzlich zu der Gateelektrode 150 und dem Gatedielektrikum 151 aufweisen.
  • Die Trenchgatestrukturen 150 können vertikal bzw. senkrecht zu der mittleren Oberflächenebene 101x sein oder können spitz mit zunehmendem Abstand zu der mittleren Oberflächenebene 101x zulaufen. Beispielweise kann ein spitzer Winkel β der Trenchgatestrukturen 150 bezüglich der vertikalen Richtung gleich sein zu dem Versetzungsachswinkel α oder kann von dem Versetzungsachswinkel α um nicht mehr als ±1 Grad abweichen, so dass erste Mesaseitenwände 104 der Mesateile 170 durch Kristallebenen gebildet sind, die eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit vorsehen. Beispielsweise in einem Halbleiterkörper 100 mit einem hexagonalen Kristallgitter können die ersten Mesaseitenwände 105 durch A-Ebenen oder M-Ebenen gebildet sein.
  • Für die entgegengesetzten Mesaseitenwände 105 fügt der spitz zulaufende Winkel β zu dem Versetzungsachswinkel α bei, und eine sich ergebende winkelmäßige Fehlausrichtung γ zwischen den zweiten Mesaseitenwänden 105 und der Kristallebene mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit ist die Summe aus dem Versetzungsachswinkel α und dem spitz zulaufenden Winkel β. Typischerweise ist die Ladungsträgerbeweglichkeit an den zweiten Mesaseitenwänden 105 signifikant niedriger als an den ersten Mesaseitenwänden 104, und daher vermeiden Zell-Layouts bzw. -Gestaltungen für Halbleitervorrichtungen beruhend auf Halbleiterkörpern mit einem Versetzungsachswinkel α von mehr als 2 Grad ein Verwenden der zweiten Mesaseitenwände 105 für Gategesteuerte bzw. gated Inversionskanäle.
  • Die Mesateile 170 umfassen Sourcezonen 110, die zu der Vorderseite ausgerichtet sind und direkt wenigstens an die ersten Mesaseitenwände 104 angrenzen. Die Sourcezonen 110 können direkt an die erste Oberfläche 101 angrenzen und können auch direkt an die zweite Mesaseitenwände 105 angrenzen oder können von den Mesaseitenwänden 105 beabstandet sein.
  • Die Mesateile 170 umfassen weiterhin Bodyzonen 115, die die Sourcezonen 110 von einer Driftstruktur 120 trennen, wobei die Bodyzonen 115 erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 120 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcezonen 110 bilden. Die Bodyzonen 115 grenzen direkt an die ersten Mesaseitenwände 104 an und können auch direkt an die zweiten Mesaseitenwände 105 angrenzen. Teile der Bodyzonen 115 sind kapazitiv mit der Gateelektrode 155 durch das Gatedielektrikum 151 gekoppelt. Die Sourcezonen 110 und die Bodyzonen 115 sind beide elektrisch mit einer ersten Lastelektrode 110 an der Vorderseite verbunden. Eine vertikale Ausdehnung bzw. Erstreckung der Bodyzonen 115 entspricht einer Kanallänge der Transistorzellen TC und kann in einen Bereich von 0,2 μm bis 1,5 μm sein.
  • Der Halbleiterkörper 100 kann weiterhin Diodenbereiche 116 umfassen, die dritte pn-Übergänge pn3 mit einer Driftstruktur 120 bilden. Die Diodenbereiche 116 sind elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden oder gekoppelt und können vertikal mit den Trenchgatestrukturen 150 überlappen, so dass Teile der Diodenbereiche 116 in der vertikalen Projektion der Trenchgatestrukturen 150 gebildet sind. Ein Abstand zwischen entgegengesetzten Rändern von benachbarten Diodenbereichen 116 kann beispielsweise in einem Bereich von 2 μm bis 3 μm sein.
  • Die Driftstruktur 120 ist zu der Rückseite bzw. nach hinten ausgerichtet, kann direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzen und kann elektrisch mit einer zweiten Lastelektrode 320 durch einen ohmschen Kontakt oder einen weiteren pn-Übergang verbunden oder gekoppelt sein. Die Driftstruktur 120 kann eine leicht dotierte Driftzone 121, die die ersten und dritten pn-Übergänge pn1, pn3 bilden kann, sowie eine stark dotierte Kontaktschicht 129 zwischen der Driftzone 121 und der zweiten Oberfläche 102 umfassen.
  • Die Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann in einem Bereich von 1E14 cm–3 bis 3E16 cm–3 sein, falls der Halbleiterkörper 100 aus Siliziumcarbid gebildet ist. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Kontaktschicht 129 ist ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit einer zweiten Lastelektrode 320 zu gewährleisten, die direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzt. Falls die Halbleitervorrichtung 500 eine Halbleiterdiode oder ein IGFET ist, hat die Kontaktschicht 129 den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone 121. Falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT ist, hat die Kontaktschicht 129 den komplementären Leitfähigkeitstyp der Driftzone 121 oder umfasst Zonen des komplementären Leitfähigkeitstyps.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, wie AlSi, AlCu oder AlSiCu, bestehen oder diese Stoffe enthalten. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann wenigstens eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Vanadium (V), Silber (Ag), Gold (Au), Zinn (Sn), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 oder beide Lastelektroden können einen oder mehrere Stoffe aus Ni, Ti, V, Ag, Au, W, Sn, Pt und Pd als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile, beispielsweise ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung enthalten.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1, der ein Anodenanschluss einer MCD, ein Sourceanschluss eines IGFET oder ein Emitteranschluss eines IGBT sein kann, bilden oder mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt sein. Die zweite Lastelektrode 320 kann einen zweiten Lastanschluss L2, der ein Kathodenanschluss einer MCD, ein Drainanschluss eines IGFET oder ein Kollektoranschluss eines IGBT sein kann, bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden oder gekoppelt sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Transistorzellen TC n-Kanal-FET-Zellen mit p-dotierten Bodyzonen 115 und n-dotierten Sourcezonen 110, wobei die Diodenbereiche 116 p-dotiert sind und die Driftzone 121 n-dotiert ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Transistorzellen TC p-Kanal-FET-Zellen mit n-dotierten Bodyzonen 115 und p-dotierten Sourcezonen 110, wobei die Diodenbereiche 116 n-dotiert sind und die Driftzone 121 p-dotiert ist.
  • Wenn ein Potential an der Gateelektrode 155 eine vorbestimmte Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung 500 überschreitet oder unter diese fällt, bilden Minoritätsladungsträger in den Bodyzonen 115 Inversionskanäle, die die Sourcezonen 110 mit der Driftstruktur 120 verbinden, um dadurch die Halbleitervorrichtung 500 einzuschalten. In dem Einschaltzustand fließt ein Laststrom durch den Halbleiterkörper 100 angenähert längs der vertikalen Richtung zwischen den ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320.
  • Im Folgenden ist die erste Hauptkristallrichtung 401 eine Kristallrichtung, die senkrecht bzw. orthogonal zu der Hauptkristallrichtung 400 und parallel zu der mittleren Oberflächenebene 101x ist. Die zweite Hauptkristallrichtung 402 ist eine Kristallrichtung, die senkrecht bzw. orthogonal zu der Hauptkristallrichtung 400 und der ersten Hauptkristallrichtung 401 ist. Die zweite Hauptkristallrichtung 402 kann in der horizontalen Ebene sein, wenn die Hauptkristallrichtung 400 vertikal zu der Oberflächenebene 101x ist, oder kann zu der mittleren Oberfläche 101x geneigt sein, wenn die Hauptkristallrichtung 400 zu der mittleren Oberflächenebene 101x geneigt ist.
  • Beispielsweise kann in einem Halbleiterkörper 100 mit einem hexagonalen Kristallgitter die Hauptkristallrichtung die <0001>-Kristallrichtung sein. Die erste Hauptkristallrichtung kann die <11-20>-Richtung sein, und die zweite Hauptkristallrichtung kann die <1-100>-Richtung sein oder die erste Hauptkristallrichtung kann die <1-100>-Richtung sein und die zweite Hauptkristallrichtung kann die <11-20>-Richtung sein.
  • Longitudinal- bzw. Längsachsen 159 der Trenchgatestrukturen 150 sind zu der ersten Hauptkristallrichtung 401 um einen Neigungswinkel φ von wenigstens 2 Grad und höchstens 30 Grad geneigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Neigungswinkel φ in einem Bereich von 3 Grad bis 8 Grad. Mit zunehmendem Neigungswinkel φ nimmt ein Abstand zwischen angenähert vertikalen Stufen ab, die während einer Herstellung der Halbleitervorrichtung 500 in den ersten und zweiten Mesaseitenwänden 104, 105 durch eine Umordnung von Atomen längs der Kristallebenen erzeugt sind. Während der Umordnung von Atomen können in dem Kristallgitter enthaltene Dotierstoffe von auflösenden Teilen des Kristallgitters freigesetzt sein und können in neu gewachsene Teile des Kristallgitters bei einer verschiedenen Verteilung eingebaut werden, beispielsweise bei einer niedrigeren Gesamtkonzentration oder einer geringeren Dichtegleichmäßigkeit. Verschiedene Dotierstofftypbereiche können sich verschieden verhalten, so dass entgegen dotierten Bereichen sich der Leitfähigkeitstyp lokal von einem n-Typ zu einem p-Typ oder umgekehrt verändern kann. Zusätzlich kann die Dotierstoffkonzentration in Bereichen, die an die aufgelösten und neu gewachsenen Teile angrenzen, beeinträchtigt sein. Die Halbleiterteile, in welchen die Dotierstoffkonzentration durch die Umordnung von Atomen längs der Kristallebenen beeinträchtigt ist, bilden Wiederauftragungs- bzw. -abscheidungsbereiche einer potenziell verschiedenen Dotierstoffkonzentration. Die Wiederauftragungsbereiche können intrinsische oder n-Typ-Passagen durch die Bodyzonen 115 längs der ersten Mesaseitenwand 104 bilden, wobei derartige Passagen den Leckstrom der Halbleitervorrichtung 500 erhöhen.
  • Je größer der Neigungswinkel φ ist, desto mehr Stufen können sich längs der Seitenwände bilden und desto schmaler ist ein Abstand zwischen den Stufen. Je höher die Stufendichte ist, desto gleichmäßiger trägt sich das Material wieder längs der Seitenwände auf und desto enger bzw. schmaler sind die Wiederauftragungsbereiche einer potential verschiedenen Dotierstoffkonzentration längs der Stufen. Je enger bzw. schmaler die Wiederauftragungsbereiche sind, desto niedriger ist eine thermische Last, die durch einen thermischen Oxidationsprozess verursacht ist, um die Wiederauftragungsbereiche zu entfernen, die sonst lokal die Leckstromdichte in der Halbleitervorrichtung 500 in dem Aus-Zustand steigern können.
  • Mit dem Neigungswinkel φ in den oben erwähnten Bereichen ist ein Abstand zwischen den vertikalen Stufen, die während einer Herstellung der Halbleitervorrichtung 500 in den ersten Mesaseitenwänden 104 erzeugt sind, ausreichend schmal, um signifikant die thermische Last zum Entfernen der Bereiche einer potenziell verschiedenen Dotierstoffkonzentration, gebildet durch die Umordnung von Atomen längs der ersten Mesaseitenwände 104 während einer Wärmebehandlung, zu reduzieren, wie dies im Folgenden näher erläutert werden wird.
  • 2 zeigt die Kristallebenen und Kristallrichtungen in einem Teil eines hexagonalen Kristallgitters, beispielsweise dem 4H-SiC-Kristallgitter. Die <0001>-Kristallrichtung ist senkrecht zu der (0001)-Basalebene oder C-Ebene. Ebenen senkrecht zu der C-Ebene sind Hauptkristallebenen, wie die {1-100}-Kristallebenen oder M-Ebenen und die {11-20}-Kristallebenen oder A-Ebenen. Beispielsweise zeigen in 4H-SiC die A-Ebenen und M-Ebenen eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, wobei die Ladungsträgerbeweglichkeit in den {11-20}-Kristallebenen höher ist als in den {1-100}-Kristallebenen. Die A-Ebenen sind Mitglieder eines Satzes bzw. einer Folge von Ebenen, die die (11-20)-, (1-210)-, (-2110)-, (2-1-10)-, (-12-10)- und (-1-120)-Ebenen umfassen. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die (11-20)-Ebene als eine willkürliche Ebene der A-Ebenen und auf die (1-100)-Ebene als eine willkürliche Ebene der M-Ebenen.
  • Die 3A und 3B zeigen eine obere Oberfläche eines Wafers 501 mit einem hexagonalen Kristallgitter. Eine Prinzipal- bzw. Hauptkristallrichtung 400 kann die <0001>-Kristallrichtung sein. Die obere Oberfläche 101z mit parallelen ersten Oberflächenabschnitten 101a und zweiten Oberflächenabschnitten 101b, die zu den ersten Oberflächenabschnitten 101a geneigt sind, ist das Ergebnis einer Wärmebehandlung eines Wafers, der durch Schneiden eines Kristall-Ingots bzw. -Barrens unter einem Versetzungsachswinkel α bezüglich der {0001}-Kristallebenen erhalten ist, wobei die Schneidrichtung längs einer Hauptkristallrichtung 402 ist, die die <11-20>-Kristallrichtung oder die <1-100>-Richtung sein kann. In beiden Fällen kann der Versetzungsachswinkel α zwischen der Schnittebene und der (0001)-Kristallebene irgendein Winkel in einem Bereich von etwa 2 bis 12 Grad sein. Während der erwähnten Wärmebehandlung ordnen sich die Atome längs der Schnittebene um und bilden die gezackte bzw. gezahnte obere Oberfläche 101z.
  • Die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte 101a, 101b bilden Stufen 108, wobei die Stufen 108 insgesamt symmetrisch bezüglich einer mittleren Oberflächenebene 101x sind, die zu der Hauptkristallrichtung 402 um den Versetzungsachswinkel α geneigt ist. Die Schnittebene kann mit der mittleren Oberflächenebene 101x zusammenfallen oder parallel zu dieser sein, welche die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte 101a, 101b angenähert bei der halben mittleren Stufenhöhe schneidet. Die ersten Oberflächenabschnitte 101a sind parallel zu einer Hauptkristallrichtung 402 senkrecht zu der Kristallrichtung 400. Die zweiten Oberflächenabschnitte 101b sind zu den ersten Oberflächenabschnitten 101a um einen Winkel größer als 0 Grad geneigt. Beispielsweise können die zweiten Oberflächenabschnitte 101b angenähert parallel zu der Kristallrichtung 400 sein.
  • Wenn eine epitaktische Schicht auf der gestaffelten oberen Oberfläche 101z durch schritt- bzw. stufengesteuerte Epitaxie aufgewachsen wird, ordnen die Ränder an den Stufen 108 zwischen ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 101a, 101b die auftreffenden Silizium- und Kohlenstoffatome in einer Weise, so dass die aufgewachsene epitaktische Schicht zuverlässig die 4H-SiC-Kristallstruktur fortsetzt. Ein chemisch-mechanisches Polieren kann die obere Oberfläche 101z glätten, und eine Passivierungsschicht, beispielsweise eine Kohlenstoffschicht, kann ein weiteres Wiederauftragen bzw. -abscheiden während folgender Prozesse unterdrücken.
  • Ein Trench 150a für eine Trenchgatestruktur erstreckt sich von der oberen Oberfläche 101z in den Halbleiterkörper 100 und kann mit zunehmendem Abstand zu der oberen Oberfläche 101z unter einem spitzen zulaufenden bzw. Kegelwinkel β bezüglich der vertikalen Richtung spitz zulaufen. Wenn der spitz zulaufende Winkel β und der Versetzungsachswinkel α gleich sind, wird eine erste Mesaseitenwand 104 des Trenches 150a durch Hauptkristallebenen, beispielsweise die A-Ebenen oder M-Ebenen, gebildet, während eine entgegengesetzte zweite Mesaseitenwand 105 zu den jeweiligen Hauptkristallebenen um eine winkelmäßige Fehlausrichtung γ = α + β geneigt ist.
  • Da eine Elektronenbeweglichkeit stark von der Kristallorientierung bzw. -ausrichtung abhängt, ist ein längs der zweiten Mesaseitenwand 105 gebildeter Inversionskanal signifikant weniger wirksam als ein längs der ersten Mesaseitenwände 104 gebildeter Inversionskanal.
  • Die erste Mesaseitenwand 104 ist glatt und ohne Stufen lediglich, wenn die Longitudinal- bzw. Längsachse des Trenches 150a perfekt parallel zu der Hauptkristallebene ist, die die erste Mesaseitenwand 104 bildet.
  • 4A zeigt ein Halbleitersubstrat 502 mit einem Trench 150a. Eine Longitudinalachse 159 des Trenches 150a weicht geringfügig von der ersten Hauptkristallrichtung 401 ab. Die winkelmäßige Fehlausrichtung ψ kann geringer sein als ein Grad und kann aus einer winkelmäßigen Fehlausrichtung zwischen einer fotolithographischen Maske, die zum Definieren des Trenches 150a verwendet ist, und einer Marke, die die Kristallorientierung in dem Halbleitersubstrat 502 anzeigt, resultieren. Die ersten und zweiten Mesaseitenwände 104, 105 schneiden die Hauptkristallebenen parallel zu der ersten Hauptkristallrichtung 401, die parallel zu den Stufen 108 in der oberen Oberfläche 101z des Halbleitersubstrates 510 verläuft.
  • Dann ordnen sich während eines Hochtemperaturprozesses, beispielsweise eines Dotierungsaktivierungsausheilens oder einer Oberflächenglättungsbehandlung die Atome des Kristallgitters längs der ersten und zweiten Mesaseitenwände 104, 105 um, um energetisch vorteilhaftere Lagen bzw. Positionen innerhalb der Hauptkristallebenen einzunehmen.
  • 4B zeigt das Ergebnis des Hochtemperaturprozesses. Die Atome haben sich in langen flachen ersten Seitenwandabschnitten 104a, 105a umgeordnet, die durch Hauptkristallebenen, beispielsweise A-Ebenen oder M-Ebenen, gebildet sind. Kurze zweite Seitenwandabschnitte 104b, 105b, die benachbarte erste Seitenwandabschnitte 104a, 105a verbinden, kompensieren die Abweichung der Longitudinalachse 159 des Trenches 150a von der Orientierung bzw. Ausrichtung der Hauptkristallebenen, die die Mesaseitenwände 104, 105 bilden. Übergänge zwischen den ersten und zweiten Seitenwandabschnitten 104a, 105a sowie 104b, 105b bilden Stufen, wobei eine Bildung der Stufen auf die Kristallebenen bezogen ist, die durch die ersten und zweiten Mesaseitenwände 104, 105 geschnitten sind. Bei einer geringen winkelmäßigen Fehlausrichtung ψ schneiden die ersten und zweiten Mesaseitenwände 104, 105 eine vergleichsweise geringe Anzahl von Kristallebenen, und die Anzahl von Stufen ist niedrig. Das wiederaufgetragene bzw. abgeschiedene oder oberflächendiffundierte Material verteilt sich über eine niedrige Anzahl von Stufen, was in vergleichsweise hohen Stufen resultiert.
  • Die Umordnung von Atomen des Kristallgitters kann in einer Segregation bzw. Absonderung von Dotierstoffatomen resultieren, die sich in Wiederauftragungsbereichen 191 ansammeln oder verarmen können, welche sich längs der ersten Seitenwandabschnitte 104a, 105a erstrecken. Ein horizontaler Querschnittsabschnitt der Wiederauftragungsbereiche 191 ist ein Dreieck, wobei eine erste Seite des Dreieckes durch den betreffenden ersten Seitenwandabschnitt 104a, 105a gebildet wird und eine zweite Seite angenähert bzw. ungefähr die angrenzende Hälfte des zweiten Seitenwandabschnittes 104b, 105b ist, der eine Seitenwandstufe 106 mit dem betreffenden ersten Seitenwandabschnitt 104b, 105b bildet. Die maximale Dicke des Wiederauftragungsbereiches ist etwa eine Hälfte der Stufenhöhe. Die Wiederauftragungsbereiche 191 können lokal die Eigenschaften von Inversionskanälen verändern, die in den ersten Mesaseitenwänden 104 gebildet sind, und können eine Vorrichtungszuverlässigkeit herabsetzen.
  • Die 5A bis 5D beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, beispielsweise einer MCD oder einer Halbleiterschaltvorrichtung, wie in einem IGFET oder einem IGBT.
  • Ein Trench 150a wird beispielsweise durch ein maskiertes, anisotropes Ätzen in einem Halbleitersubstrat 502 aus kristallinem Halbleitermaterial gebildet. In dem Halbleitersubstrat 502 kann eine Prinzipal- bzw. Hauptkristallrichtung um einen Versetzungsachswinkel von wenigstens 2 Grad zu einer Normalen auf einer mittleren Oberflächenebene an einer Vorderseite des Halbleitersubstrates 502 geneigt sein, wobei die mittlere Oberflächenebene Stufen 108 in einer oberen Oberfläche 101z bei einer halben Stufenhöhe schneiden kann. Der Trench 150a erstreckt sich von der oberen Oberfläche 101z in das Halbleitersubstrat 502. Das Halbleitersubstrat 502 enthält Dotierstoffe, die während eines epitaxialen Wachstums eingebaut werden können oder die vor oder nach Bildung des Trenches 150a implantiert werden können.
  • Wie in 5A gezeigt ist, ist eine Longitudinal- bzw. Längsachse 159a des Trenches 150a zu einer ersten Hauptkristallrichtung 401 um einen Neigungswinkel φ, der wenigstens 2 Grad, beispielsweise wenigstens 3 Grad oder wenigstens 5 Grad und höchstens 30 Grad beträgt, beispielweise höchstens 12 Grad, geneigt. Der Trench 150a schneidet Hauptkristallebenen, beispielsweise die (11-20)- oder die (1-100)-Kristallebenen eines hexagonalen Kristallgitters unter einem Neigungswinkel φ. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Neigungswinkel φ einem Winkel zwischen der Longitudinalachse 159a des Trenches 150a und der ersten Hauptkristallrichtung 401.
  • Das Halbleitersubstrat 502 wird auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher sich Oberflächenatome des Halbleitersubstrates 502 zu energetisch günstigeren Lagen bzw. Positionen innerhalb der Hauptkristallebenen bewegen. Das Erwärmen kann eine Wärmebehandlung zum Aktivieren implantierter Dotierstoffe sein oder kann ein Prozess sein, der primär auf ein Glätten einer Oberflächenrauhigkeit oder ein Runden von Trenchrändern als Beispiel abzielt. Die Temperatur der Wärmebehandlung kann in einem Bereich von 1400 bis 1700 Grad und kann in einer Inertatmosphäre durchgeführt werden, die beispielsweise Wasserstoffgas (H2) oder ein Edelgas, wie Argon (Ar) oder Xenon (Xe) enthält. Zusätzlich kann die Inertatmosphäre Kohlenwasserstoffe enthalten.
  • Wie in 5B veranschaulicht ist, resultiert die Umordnung von Atomen des Halbleitermaterials in langen flachen ersten Seitenwandabschnitten 104a, 105a parallel zu den Hauptkristallebenen und kurzen zweiten Seitenwandabschnitten 104b, 105b, die benachbarte erste Seitenwandabschnitte 104a, 105a verbinden und die winkelmäßige Fehlausrichtung des Trenches 105a bezüglich der Hauptkristallebenen kompensieren. Die zweiten Seitenwandabschnitte 104b, 105b können angenähert senkrecht zu den ersten Seitenwandabschnitten 104a, 105a sein. Die ersten und zweiten Seitenwandabschnitte 104a, 105a, 104b, 105b bilden angenähert vertikale Seitenwandstufen 106.
  • Da der Neigungswinkel φ größer ist als die winkelmäßige Fehlausrichtung ψ von 4A bis 4B schneidet der Trench 150a mehr Kristallebenen je Längeneinheit. Da eine Bildung der Seitenwandstufen 106 mit der Anzahl von geschnittenen Kristallebenen verbunden bzw. verkettet ist, können sich mehr Seitenwandstufen 106 je Längeneinheit bilden als in dem Beispiel der 4A bis 4B. Das wiederaufgetragene Material verteilt bzw. zerstreut sich über eine größere Anzahl von Wiederauftragungsbereichen 191, in welchen sich die Dotierstoffkonzentration von einem Zielwert aufgrund von Segregations- und/oder Akkumulationsprozessen verändern kann. Die Tiefenausdehnung von jedem einzelnen Wiederauftragungsbereich 191 ist kleiner als die Tiefenausdehnung von Wiederauftragungsbereichen, die durch ein herkömmliches Verfahren mit lediglich einer kleinen Anzahl von Seitenwandstufen 106 gebildet sind.
  • Eine Opferschicht 192 wird gebildet, die Oberflächenteile des Halbleitersubstrates 502 längs freiliegenden Oberflächenabschnitten, wie den ersten und zweiten Mesaseitenwänden 104, 105, beinhaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Opferschicht 192 eine Halbeiteroxidschicht sein, die durch thermische Oxidation des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrates 502 gebildet ist. Eine Dicke der Opferschicht 192 ist in einem Bereich von einigen zehn Nanometern, beispielsweise höchstens 300 nm. Die Dicke der Opferschicht 192 kann von der Kristallausrichtung bzw. -orientierung abhängen. Beispielsweise können erste Teile der Opferschicht 192, die auf den ersten Seitenwandabschnitten 104a, 105a aufgewachsen sind, dicker oder dünner sein als zweite Teile der Opferschicht 192, die auf den zweiten Seitenwandabschnitten 104b, 105b aufgewachsen sind.
  • 5C zeigt die Opferschicht 192. Da die Ausdehnung bzw. Erstreckung der Wiederauftragungsbereiche 191 kleiner ist, genügt eine dünnere Opferschicht 192, um einen größeren Teil von jedem Dotierstoffakkumulationsbereich 106 zu verbrauchen bzw. zu konsumieren. Eine thermische Last zum Entfernen der Dotierstoffakkumulationsbereiche kann signifikant reduziert sein. Das eingesparte thermische Budget kann in anderen Prozessen angewandt werden oder kann zu der Bildung von genauer definierten Dotierstoffbereichen und als eine Folge zu reduzierten Fluktuationen von Vorrichtungsparametern beitragen.
  • Die Opferschicht 192 kann entfernt werden. Ein Gatedielektrikum 151 kann längs wenigstens der ersten Mesaseitenwand 104 gebildet werden. Eine Gateelektrode 155 kann wenigstens einen Teil des Trenches 150a angrenzend an die erste Mesaseitenwand 104 füllen, um eine Trenchgatestruktur 150 in den Trench 150a zu bilden.
  • 5D zeigt die Trenchgatestruktur 150 mit der Gateelektrode 155 getrennt von dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrates 502 durch das Gatedielektrikum 151. Durch Bilden und Entfernen der Opferschicht 192 von 5C bleiben keine Bereiche mit unbeabsichtigt verschiedener Dotierstoffkonzentration zurück, die an die erste Mesaseitenwand 104 angrenzen. Eine Halbleitervorrichtung, die von dem Halbleitersubstrat 502 erhalten ist, zeigt gleichmäßige Dotierstoffkonzentrationen längs der ersten Mesaseitenwände 104, und Gate-gesteuerte bzw. gated Inversionskanäle, die in den ersten Mesaseitenwänden 104 während eines Einschaltzustandes der Halbleitervorrichtung gebildet sind, zeigen eine gleichmäßige Stromdichte.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 der 6A und 6B ist ein Siliziumcarbid-IGFET, der auf der Halbleitervorrichtung 500 der 1A bis 1B beruht, wobei die erste Lastelektrode 310 einen Sourceanschluss S bildet oder elektrisch mit einem solchen verbunden oder gekoppelt ist und die zweite Lastelektrode 320 elektrisch einen Drainanschluss D bildet oder elektrisch mit einem solchen verbunden ist.
  • In 6A ist die Prinzipal- bzw. Haupt-<0001>-Kristallrichtung 400 leicht zu der Senkrechten auf der Zeichenebene um einen Versetzungsachswinkel α zwischen 2 Grad und 8 Grad, beispielsweise etwa 4 Grad, geneigt. Eine erste Hauptkristallrichtung 401, die orthogonal bzw. senkrecht zu der <0001>-Kristallrichtung und parallel zu einer mittleren Oberflächenebene 101x ist, beispielsweise die <1-100>-Kristallrichtung oder die <11-20>-Kristallrichtung, ist in der Zeichenebene. Eine zweite Hauptkristallrichtung 402, die orthogonal bzw. senkrecht zu der <0001>-Kristallrichtung und der ersten Hauptkristallrichtung 401, also beiden Richtungen, ist, kann leicht zu der Zeichenebene um den Versetzungsachswinkel α geneigt sein. Die erste Oberfläche 101 kann flach sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 101 gezackt bzw. gezahnt.
  • Longitudinal- bzw. Längsachsen 159 der Trenchgatestrukturen 150 sind zu der ersten Hauptkristallrichtung 401 um einen Neigungswinkel φ von wenigstens 2 Grad, beispielsweise wenigstens 3 oder 5 Grad, und höchstens 30 Grad, beispielsweise höchstens 12 Grad, geneigt. Erste Mesaseitenwände 104 von Mesateilen 170 sind (11-20)-Kristallebenen oder (1-100)-Kristallebenen oder weichen von derartigen Ebenen um eine winkelmäßige Fehlausrichtung von nicht mehr als ±1 Grad ab.
  • In 6B ist die <0001>-Kristallrichtung um den Versetzungsachswinkel α zu der Normalen auf der mittleren Oberflächenebene 101x geneigt. Die erste Hauptkristallrichtung 401 ist senkrecht zu der Zeichenebene, und die zweite Hauptkristallrichtung 402 ist um den Versetzungsachswinkel α zu der mittleren Oberflächenebene 101x geneigt.
  • Die Trenchgatestrukturen 150 sind streifenförmig mit Seitenwandstufen 106. Ein mittlerer Abstand zwischen den benachbarten Seitenwandstufen 106 hängt von dem Neigungswinkel φ und der Stufenhöhe ab, wobei die Stufenhöhe von Prozessparametern abhängt und in einem Bereich von einigen nm bis einigen 10 nm sein kann. Beispielsweise kann bei einer Stufenhöhe von 20 nm und einem Neigungswinkel φ von etwa 10 Grad der mittlere Abstand etwa 120 nm sein. Die Trenchgatestrukturen 150 können gleich voneinander beabstandet sein, können eine einheitliche Breite haben und können sich von einer Seite eines Transistorzellgebietes zu der entgegengesetzten Seite erstrecken.
  • Ein Zwischenschichtdielektrikum 210, das sandwichartig zwischen der ersten Lastelektrode 310 und der Gateelektrode 155 vorgesehen ist, isoliert dielektrisch die erste Lastelektrode 310 von der Gateelektrode 155. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann eine oder mehrere dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, dotiertem oder undotiertem Silikatglas, beispielsweise BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) als Beispiel umfassen.
  • Kontaktstrukturen 315 erstrecken sich von der ersten Lastelektrode 310 durch Öffnungen in dem Zwischenschichtdielektrikum 210 zu dem Halbleiterkörper 100 und grenzen direkt an wenigstens die Sourcezonen 110 an. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel enden die Kontaktstrukturen 315 auf der ersten Oberfläche 101. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können sich die Kontaktstrukturen 315 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken.
  • In den Mesateilen 170 grenzen die Sourcezonen 210 und die Bodyzonen 115 direkt an die ersten Mesaseitenwände 104 an. Die Diodenbereiche 116 können direkt an entgegengesetzte zweite Mesaseitenwände 105 angrenzen und können direkt an die erste Oberfläche 101 und/oder die Kontaktstrukturen 315 angrenzen. Eine vertikale Ausdehnung bzw. Erstreckung der Diodenbereiche 116 kann größer sein als eine vertikale Ausdehnung bzw. Erstreckung der Trenchgatestrukturen 150, so dass Teile der Diodenbereiche 116 mit der vertikalen Projektion der Trenchgatestrukturen 150 überlappen und aktive Teile des Gatedielektrikums 151 gegenüber dem hohen Potential der zweiten Lastelektrode 320 in einem Sperrzustand der Halbleitervorrichtung 500 abschirmen. Die Diodenbereiche 116 bilden dritte pn-Übergänge pn3 mit der Driftstruktur 120 und sehen eine Rück- bzw. Freilaufdiode vor, die funktionsmäßig in die Halbleitervorrichtung 500 integriert ist. Weiterhin können die Diodenbereiche 116 die Bodyzonen 115 mit den Kontaktstrukturen 315 verbinden.
  • Die Driftstruktur 120 kann Stromstreu- bzw. -spreizzonen 122 umfassen, die direkt an die Bodyzonen 115 angrenzen können. Die Stromstreuzonen 122 können sich zwischen benachbarten Diodenbereichen 116 erstrecken, wobei unipolare Homoübergänge zwischen den Stromstreuzonen 122 und der Driftzone 121 einen größeren Abstand zu der ersten Oberfläche 101 haben können als die dritten pn-Übergänge pn3, die zwischen den Diodenbereichen 116 und der Driftzone 121 gebildet sind. Teile der Stromstreuzonen 122 können mit der vertikalen Projektion der Diodenbereiche 116 überlappen und können sich zwischen benachbarten Diodenbereichen 116 erstrecken.
  • Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in den Stromstreuzonen 122 ist wenigstens zehnmal so hoch wie eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121. Der reduzierte bzw. verringerte horizontale Widerstand der Stromstreuzonen 122 spreizt lateral den Einschaltstrom der Transistorzellen TC, so dass eine Stromverteilung in der Driftzone 121 gleichmäßiger ist. Für weitere Einzelheiten wird Bezug genommen auf die Beschreibung der vorangehenden Figuren.
  • In 7A sind die Kristallrichtungen wie in 6A und in 7B die gleichen wie in 6B. Die erste Oberfläche 101 kann aus einem Epitaxieprozess resultieren und kann gezackt bzw. gezahnt sein. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 101 planar. Beispielsweise kann ein chemisch-mechanisches Polieren die gezackte Oberfläche einer epitaktischen Schicht planarisieren, und eine Passivierungsschicht, beispielsweise eine Kohlenstoffschicht, kann eine Wiederauftragung von Silizium- und Kohlenstoffatomen längs Hauptkristallebenen während folgender Wärmeprozesse unterdrücken.
  • Zusätzlich zu der Gateelektrode 155 können die Trenchgatestrukturen 150 Diodenkontaktstrukturen 305 umfassen, die sich von den Kontaktstrukturen 315 zu dem Boden der Trenchgatestrukturen 150 erstrecken und die ohmsche Kontakte mit den Diodenbereichen 116 bilden, die in der vertikalen Projektion der Trenchgatestrukturen 150 zwischen den Trenchgatestrukturen 150 und den Driftstrukturen 120 gebildet sind.
  • Die Gateelektrode 155 ist ein Spacer- bzw. Abstandshaltergate, das lediglich längs der ersten Mesaseitenwände 104 gebildet ist. Trenchteile 210a des Zwischenschichtdielektrikums 210 sind sandwichartig zwischen der Gateelektrode 155 und der Diodenkontaktstruktur 305 vorgesehen und isolieren die Gateelektrode 155 und die Diodenkontaktstrukturen 305 voneinander. Längs der zweiten Mesaseitenwände 105 können hochdotierte Kontaktzonen 115a ohmsche Kontakte zwischen den Bodyzonen 115 und den Diodenkontaktstrukturen 305 bilden. Für weitere Einzelheiten wird Bezug genommen auf die Beschreibung der vorangehenden Figuren.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (22)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Hauptkristallrichtung (401) parallel zu einer horizontalen Ebene, Trenchgatestrukturen (150) mit Längsachsen (159), die zu der ersten Hauptkristallrichtung (401) um einen Neigungswinkel (φ) von wenigstens 2 Grad und höchstens 30 Grad in der horizontalen Ebene geneigt sind, und Mesateilen (170) zwischen benachbarten Trenchgatestrukturen (150), wobei erste Seitenwandabschnitte (104a) von ersten Mesaseitenwänden (104) Hauptkristallebenen parallel zu der ersten Hauptkristallrichtung (401) sind und zweite Seitenwandabschnitte (104b), die zu den ersten Seitenwandabschnitten (104a) geneigt sind, die ersten Seitenwandabschnitte (104) verbinden.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die horizontale Ebene parallel zu einer mittleren Oberflächenebene (101x) des Halbleiterkörpers (100) ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, bei der eine zweite Hauptkristallrichtung (402) senkrecht zu der ersten Hauptkristallrichtung (401) zu der horizontalen Ebene um einen Versetzungsachswinkel (α) von wenigstens 2 Grad geneigt ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der die erste Oberfläche (101) erste Oberflächenabschnitte (101a) und zweite Oberflächenabschnitte (101b) aufweist, die zu den ersten Oberflächenabschnitten (101a) geneigt sind und die die ersten Oberflächenabschnitte (101a) verbinden.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die ersten Oberflächenabschnitte (101a) Hauptkristallebenen parallel zu der zweiten Hauptkristallrichtung (402) sind.
  6. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der der Versetzungsachswinkel (α) in einem Bereich von 3 bis 12 Grad ist.
  7. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei der der Neigungswinkel (φ) in einem Bereich von 3 bis 12 Grad ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei der der Halbleiterkörper (100) ein hexagonales Kristallgitter hat und die erste Hauptkristallrichtung (401) eine Richtung aus der <11-20>-Kristallrichtung und der <1-100>-Kristallrichtung ist.
  9. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei der eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) erste Oberflächenabschnitte (101a), die durch (1-100)-Kristallebenen gebildet sind, und zweite Oberflächenabschnitte (101b), die zu den ersten Oberflächenabschnitten (101a) um einen Winkel größer als 0 Grad geneigt sind und die ersten Oberflächenabschnitte (101a) verbinden, aufweist.
  10. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei der eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) erste Oberflächenabschnitte (101a), die durch (11-20)-Kristallebenen gebildet sind, und zweite Oberflächenabschnitte (101b), die zu den ersten Oberflächenabschnitten (101a) um einen Winkel größer als 0 Grad geneigt sind und die ersten Oberflächenabschnitte (101a) verbinden, aufweist.
  11. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei der der Halbleiterkörper (100) auf Siliziumcarbid des 4H-Polytyps beruht.
  12. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei der die Mesateile (170) Bodyzonen (115) aufweisen, die erste pn-Übergänge (pn1) mit einer Driftstruktur (120) und zweite pn-Übergänge (pn2) mit Sourcezonen (110) bilden, wobei die Sourcezonen (110) zwischen den Bodyzonen (115) und der mittleren Oberflächenebene (101x) gebildet sind.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: Diodenbereiche (116), die dritte pn-Übergänge (pn3) mit der Driftstruktur (120) bilden und mit den Trenchgatestrukturen (150) in einer vertikalen Projektion senkrecht zu der mittleren Oberflächenebene (101x) überlappen.
  14. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, bei der die Trenchgatestrukturen (150) unter einen spitz zulaufenden Winkel (β) spitz zulaufen, der von dem Versetzungsachswinkel (α) um nicht mehr als ±1 Grad abweicht.
  15. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, bei der eine Tiefe der Trenchgatestrukturen (150) in einem Bereich von 0,5 μm bis 2,0 μm ist.
  16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines Trenches (150a) in einem Halbleitersubstrat (502) aus einem kristallinem Halbleitermaterial mit einer ersten Hauptkristallrichtung (401) parallel zu einer horizontalen Ebene, wobei eine Längsachse (159a) des Trenches (150a) zu der ersten Hauptkristallrichtung (401) um einen Neigungswinkel (φ) von wenigstens 2 Grad und höchstens 30 Grad in der horizontalen Ebene geneigt ist, Erwärmen des Halbleitersubstrates (502) in einer Inertatmosphäre auf eine Temperatur, bei welcher sich Atome des Halbleitermaterials längs Hauptkristallebenen umordnen, wobei Wiederauftragungs- bzw. Umordnungsbereiche (191) des Halbleitermaterials Seitenwandstufen (106) bilden, die eine winkelmäßige Fehlausrichtung zwischen der Längsachse (159) des Trenches (150a) und den Hauptkristallebenen kompensieren, und Bilden einer Opferschicht (192), die die Wiederauftragungsbereiche (191) beinhaltet bzw. umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: Entfernen der Opferschicht (192).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: Bilden einer Trenchgatestruktur (150) in dem Trench (150a).
  19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18, bei dem der Trench (150a) unter einem spitzen Winkel (β) spitz zuläuft, der von dem Versetzungsachswinkel (α) um nicht mehr als ±1 Grad abweicht.
  20. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 19, bei dem das Halbleitersubstrat (502) ein hexagonales Kristallgitter hat und die erste Hauptkristallrichtung (401) eine Richtung aus der <11-20>-Kristallrichtung und der <1-100>-Kristallrichtung ist.
  21. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 20, bei dem die Inertatmosphäre wenigstens einen Stoff aus Ar, H2 und Xe enthält.
  22. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 21, bei dem die Inertatmosphäre Kohlenwasserstoffe enthält.
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