DE102018103550A1 - Halbleitervorrichtung mit einem halbleiterkörper aus siliziumcarbid - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einem halbleiterkörper aus siliziumcarbid Download PDF

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Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Halbleitervorrichtung (100), die einen SiC Halbleiterkörper (102) aufweist. Der SiC Halbleiterkörper (102) weist ein erstes Halbleitergebiet (104) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Halbleitergebiet (106) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Das erste Halbleitergebiet (104) ist an einer ersten Oberfläche (108) des SiC Halbleiterkörpers (102) elektrisch kontaktiert und bildet einen pn-Übergang (110) mit dem zweiten Halbleitergebiet (106). Das erste Halbleitergebiet (104) und das zweite Halbleitergebiet (106) sind in einer vertikalen Richtung (y) senkrecht zur ersten Oberfläche (108) übereinander angeordnet. Das erste Halbleitergebiet (104) weist eine erste Dotierstoffspezies und eine zweite Dotierstoffspezies auf.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft Halbleitervorrichtungen aus Siliziumcarbid, SiC.
  • HINTERGRUND
  • An SiC-Halbleitervorrichtungen wie beispielsweise SiC-Leistungshalbleiterfeldeffekttransistoren oder SiC-Leistungshalbleiterdioden werden Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit während der spezifizierten Betriebslebensdauer gestellt. Die Zuverlässigkeit der SiC-Halbleitervorrichtung kann im Betrieb durch verschiedenartige Degradationsmechanismen beeinträchtigt werden.
  • Diese Offenbarung widmet sich der Verbesserung der Zuverlässigkeit von SiC-Halbleitervorrichtungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese Offenbarung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die einen SiC Halbleiterkörper aufweist. Der SiC Halbleiterkörper weist ein erstes Halbleitergebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Halbleitergebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Das erste Halbleitergebiet ist an einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers elektrisch kontaktiert und bildet einen pn-Übergang mit dem zweiten Halbleitergebiet. Das erste Halbleitergebiet und das zweite Halbleitergebiet sind in einer vertikalen Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche übereinander angeordnet. Das erste Halbleitergebiet weist eine erste Dotierstoffspezies und eine zweite Dotierstoffspezies auf.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1 bis 4 sind schematische Querschnittsansichten eines SiC Halbleiterkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen.
    • 5A bis 5D sind schematische Diagramme zur Veranschaulichung von überlagerten Konzentrationsprofilen in einem ersten Halbleitergebiet.
  • Die 6A ist ein schematischer horizontaler Querschnitt durch einen Abschnitt einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit streifenartigen Transistorzellen mit tiefen Grabengateelektroden und einseitigem Transistorkanal.
  • Die 6B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch den Abschnitt der Halbleitervorrichtung nach 7A entlang der Querschnittslinie B-B.
  • Die 7 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit planaren Gatestrukturen.
  • Die 8 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit flachen Grabengatestrukturen.
  • Die 9 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit tiefen Grabengatestrukturen.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise als begrenzend aufzufassen.
  • Es versteht sich von selbst, dass weitere Ausführungsbeispiele existieren und an den Ausführungsbeispielen strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Definierten abgewichen wird. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist insoweit nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Bei den Begriffen „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen handelt es sich im Folgenden um offene Begriffe, die einerseits auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, andererseits das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Halbleitervorrichtung einen SiC Halbleiterkörper auf. Der SiC Halbleiterkörper weist ein erstes Halbleitergebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Halbleitergebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Das erste Halbleitergebiet ist an einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers elektrisch kontaktiert und bildet einen pn-Übergang mit dem zweiten Halbleitergebiet. Das erste Halbleitergebiet und das zweite Halbleitergebiet sind in einer vertikalen Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche übereinander angeordnet. Das erste Halbleitergebiet weist eine erste Dotierstoffspezies und eine zweite Dotierstoffspezies auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt ein energetischer Abstand der ersten Dotierstoffspezies zur nächstgelegenen Bandkante weniger als 250 meV und ein energetischer Abstand der zweiten Dotierstoffspezies zur nächstgelegenen Bandkante beträgt mehr als 250 meV. Liegt eine dritte Dotierstoffspezies im ersten Halbleitergebiet vor, so kann auch deren energetischer Abstand zur nächstgelegenen Bandkante mehr als 250 meV betragen. Bei der nächstgelegenen Bandkante kann es beispielsweise um die Valenzbandkante im eingebauten Zustand der Dotierstoffspezies in das Kristallgitter des SiC Halbleiterkörpers handeln. Ebenso kann es sich bei der nächstgelegenen Bandkante um die Leitungsbandkante im eingebauten Zustand der Dotierstoffspezies in das Kristallgitter des SiC Halbleiterkörpers handeln, je nachdem welche der beiden Bandkanten im eingebauten Zustand der Dotierstoffspezies energetisch näher zum Energieniveau der Dotierstoffspezies in der Bandlücke von SiC gelegen ist.
  • Beispielsweise kann der SiC Halbleiterkörper aus einkristallinem Siliziumcarbid (SiC), zum Beispiel 2H-SiC (SiC des 2H-Polytyps), 6H-SiC oder 15R-SiC aufgebaut sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Material des SiC Halbleiterkörpers 4H-SiC. Dass eine Komponente aus einem Material „ist“ oder aus einem Material „aufgebaut ist“ kann hierbei und im Folgenden bedeuten, dass besagte Komponente im Rahmen der Herstellungstoleranzen und mit Ausnahme von Dotierungen aus dem Material besteht.
  • Die erste Oberfläche kann die Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers bilden und planar oder gerippt sein. Eine gerippte erste Oberfläche kann durch eine Verkippung einer Hauptgitterebene des SiC Halbleiterkörpers zu einer Wachstumsrichtung bedingt sein. Eine Normale auf einen ebenen Abschnitt der ersten Oberfläche oder auf eine Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche definiert die vertikale Richtung. Die vertikale Richtung kann entlang der Wachstumsrichtung verlaufen. Im Fall einer gerippten ersten Oberfläche kann diese koplanare Oberflächenabschnitte umfassen, die jeweils schräg, d.h. geneigt, zur vertikalen Richtung verlaufen. Richtungen senkrecht zur vertikalen Richtung oder, anders ausgedrückt, parallel zu einem ebenen Abschnitt der ersten Oberfläche oder parallel zur Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche, sind laterale (horizontale) Richtungen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein n-Typ. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein n-Typ.
  • Die Halbleitervorrichtung kann beispielsweise ein IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, insulated gate field effect transistor) sein, zum Beispiel ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET, metal oxide semiconductor FET) wie ein Leistungs-MOSFET, wobei die Abkürzung MOSFET neben FETs mit metallischer Gateelektrode auch FETs mit Gateelektroden aus einem Halbleitermaterial umfasst. Bei der Halbleitervorrichtung kann es sich auch um eine MCD (MOS-gesteuerte Diode, MOS controlled diode) oder um eine pn Diode wie eine SiC Leistungshalbleiterdiode handeln. Ebenso kann es sich bei der Halbleitervorrichtung um einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate, insulated gate bipolar transistor) oder auch um einen JFET (Übergangsfeldeffekttransistor, junction field effect transistor) handeln. Neben den beispielhaften genannten Bauelementtypen können selbstverständlich auch andere bipolare Bauelementtypen oder auch unipolare Bauelementtypen mit integrierter pn Freilaufdiode als Halbleitervorrichtung gemäß der hierin beschriebenen Lehre gebildet werden. Die Halbleitervorrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen Laststrom von mindestens 1 A zu leiten, z.B. durch eine entsprechende Dimensionierung der den Laststrom führenden Chipfläche.
  • Bei dem zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Halbleitergebiet gebildeten pn-Übergang handelt es sich beispielsweise um einen pn-Übergang, über den in bestimmten Betriebsmodi der Halbleitervorrichtung, z.B. im Flussbetrieb einer Diode oder im Flussbetrieb einer Inversdiode, z.B. einer Body-Drain-Diode eines FETs, Ladungsträger in das zweite Halbleitergebiet injiziert werden, die dann im zweiten Halbleitergebiet rekombinieren können. Somit kann das ersten Halbleitergebiet in einer als Diode gestalteten Halbleitervorrichtung beispielsweise als Anodengebiet (Kathodengebiet) an der ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers gebildet sein. In diesem Fall kann das zweite Halbleitergebiet als Driftzone und Kathodengebiet (Anodengebiet) gestaltet sein. Ebenso kann das erste Halbleitergebiet als Bodygebiet oder auch als weiteres zur Injektion fähiges Halbleitergebiet vom Leitfähigkeitstyp des Bodys, z.B. als elektrisches Abschirmgebiet für ein Dielektrikum an einem Grabenboden eines FETs oder IGBTs gebildet sein. In diesem Fall kann das zweite Halbleitergebiet als Driftzone oder auch Stromverteilungszone gestaltet sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht die erste Dotierstoffspezies Aluminium (Al). Alternativ oder zusätzlich entspricht die zweite Dotierstoffspezies Bor (B) oder Gallium (Ga) .
  • In einem Ausführungsbeispiel weist das erste Halbleitergebiet eine dritte Dotierstoffspezies vom ersten Leitfähigkeitstyp auf. Die dritte Dotierstoffspezies unterscheidet sich von der zweiten Dotierstoffspezies. Beispielsweise ist die zweite Dotierstoffspezies B und die dritte Dotierstoffspezies ist Ga oder umgekehrt. Es ist möglich, dass die erste Dotierstoffspezies Aluminium ist, während als zweite Dotierstoffspezies Bor und als dritte Dotierstoffspezies Gallium im ersten Halbleitergebiet ausgebildet sein können.
  • Die kombinierte Dotierung mit Bor und Gallium kann insbesondere dahin gehend vorteilhaft sein, dass einerseits beide als Dotierstoffe mit tief liegenden Energieniveaus dienen und andererseits aber ein deutlich unterschiedliches Diffusionsverhalten aufweisen, so dass z.B. insbesondere der Einfluss einer Tiefdiffusion von Bor durch entsprechende Wahl der implantierten Dotierstoffdosis so gewählt werden kann, dass die im Endzustand in der Driftzone resultierende Bordotierung deutlich unterhalb der eingestellten Donatordotierung, die vorzugsweise über eine Stickstoffdotierung erfolgt, liegt und somit die angezielte resultierende n-Dotierung nicht verhindert. Zusätzlich ermöglicht die Kombination zweier Dotierstoffe mit unterschiedlich tief liegenden Energieniveaus eine Feinoptimierung der Rekombinationseigenschaften der solchermaßen gebildeten p-dotierten Schicht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Energieniveau der zweiten Dotierstoffspezies im eingebauten Zustand in den SiC Halbleiterkörper innerhalb der Bandlücke des SiC um mehr als 50meV, oder um mehr als 100 meV oder auch um mehr als 200 meV näher an einer Bandlückenmitte als das Energieniveau der ersten Dotierstoffspezies. Ist eine dritte Dotierstoffspezies im ersten Halbleitergebiet ausgebildet, so kann auch das Energieniveau der dritten Dotierstoffspezies im eingebauten Zustand in den SiC Halbleiterkörper innerhalb der Bandlücke des SiC um mehr als 50meV, oder um mehr als 100 meV oder auch um mehr als 200 meV näher an einer Bandlückenmitte liegen als das Energieniveau der ersten Dotierstoffspezies.
  • Die oben beschriebenen Beispiele ermöglichen beispielsweise eine reduzierte Injektion von Ladungsträgern aus dem ersten Halbleitergebiet in das zweite Halbleitergebiet. Dies wird durch die Rekombinationswirkung der zweiten und optional dritten Dotierstoffspezies erzielt, die im Vergleich zur ersten Dotierstoffspezies tiefer in der Bandlücke liegen und eine stärkere Rekombinationswirkung haben als auch im nicht ausgeräumten Zustand, d.h. z.B. im Durchlassbetrieb, einen geringeren Dotierungsaktivierungsgrad aufweisen als die erste Dotierstoffspezies. Im Vergleich zu einer alternativen Halbleitervorrichtung, dessen erstes Halbleitergebiet lediglich eine einzige Dotierstoffspezies oder nicht die erste und die zweite Dotierstoffspezies aufweist, kann hierdurch beispielsweise eine Ladungsträgerinjektion ins zweite Halbleitergebiet durch eine verringerte Injektion und eine erhöhte Rekombination reduziert werden. Die reduzierte Ladungsträgerinjektion ins zweite Halbleitergebiet ermöglicht beispielsweise den technischen Vorteil einer geringeren Degradation der Halbleitervorrichtung durch rekombinationsbedingtes Wachstum von Stapelfehlern in der Basalebene, d.h. in parallel verlaufenden, ebenen Schichten, welche den Ladungstransport behindern und sich negativ auf die Durchlassspannung sowie den Durchlasswiderstand der jeweiligen Halbleitervorrichtung auswirken. Derartige Stapelfehler können etwa einen auf eine Gitterkonstante beschränkten Einschluss des thermodynamisch stabilen 3C Polytypen in einer 4H- oder 6H-Umgebung darstellen. Somit lässt sich durch die hierin beschriebene Lehre die Zuverlässigkeit von SiC Halbleitervorrichtungen verbessern.
  • In der schematischen Querschnittsansicht von 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung 100 dargestellt. Die Halbleitervorrichtung 100 weist einen SiC Halbleiterkörper 102 auf. Der SiC Halbleiterkörper 102 weist ein erstes Halbleitergebiet 104 von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Halbleitergebiet 106 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Bei dem ersten Halbleitergebiet 104 kann es sich um ein wie oben beschriebenes erstes Halbleitergebiet handeln. Ebenso kann es sich bei dem zweiten Halbleitergebiet 106 um ein wie oben beschriebenes zweites Halbleitergebiet handeln.
  • Das erste Halbleitergebiet 104 ist an einer ersten Oberfläche 108 des SiC Halbleiterkörpers 100 elektrisch kontaktiert. Der elektrische Kontakt ist vereinfacht als erster Kontakt K1 dargestellt. Bei dem ersten Kontakt K1 handelt es sich beispielsweise um eine leitfähige Struktur, die miteinander elektrisch verbundene leitfähige Komponenten wie etwa Kontaktstöpsel, Metallisierungsbahnen sowie Anschlusspads umfassen kann. Die elektrisch leitfähigen Komponenten ihrerseits bestehen aus leitfähigem Material wie etwa einem Metall, einem Metallsilizid, einer Metalllegierung, einem hochdotierten Halbleiter oder einer Kombination hieraus. Diese elektrisch leitfähigen Komponenten sind beispielsweise Teile eines über der ersten Oberfläche 108 ausgebildeten Metallisierungs- und Verdrahtungsbereichs der Halbleitervorrichtung 100. Der erste Kontakt K1 kann im Falle einer als IGBT ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 ein Emitterkontakt sein. Im Fall einer als FET oder JFET ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 kann der erste Kontakt K1 ein Sourcekontakt sein. Im Fall einer als Diode oder Thyristor ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 kann der erste Kontakt K1 ein Anodenkontakt (Kathodenkontakt) sein.
  • Das erste Halbleitergebiet 104 bildet einen pn-Übergang 110 mit dem zweiten Halbleitergebiet 106. Das erste Halbleitergebiet 104 und das zweite Halbleitergebiet 106 sind in einer vertikalen Richtung y senkrecht zur ersten Oberfläche 108 übereinander angeordnet.
  • Das zweite Halbleitergebiet 106 ist an einer der ersten Oberfläche 108 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 112 des SiC Halbleiterkörpers 100 elektrisch kontaktiert. Der elektrische Kontakt ist vereinfacht als zweiter Kontakt K2 dargestellt. Für den zweiten Kontakt K2 gelten die oben im Zusammenhang mit dem ersten Kontakt K1 gemachten Angaben sinngemäß. Der zweite Kontakt K2 kann im Falle einer als IGBT ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 ein Kollektorkontakt sein. Im Fall einer als FET oder JFET ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 kann der erste Kontakt K1 ein Drainkontakt sein. Im Fall einer als Diode oder Thyristor ausgebildeten Halbleitervorrichtung 100 kann der erste Kontakt K1 ein Kathodenkontakt (Anodenkontakt) sein.
  • Gemäß dem in der schematischen Querschnittsansicht von 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Halbleitervorrichtung 100 weist das erste Halbleitergebiet 104 eine vertikale Erstreckung d entlang der vertikalen Richtung y des SiC Halbleiterkörpers 102 auf. In diesem Ausführungsbeispiel entsprechen, ausgehend von der ersten Oberfläche 108, in einem ersten Tiefenbereich 114 des SiC Halbleiterkörpers 102 von einer Tiefe t=0 bis t=d/2, mindestens 60% oder sogar mindestens 80% der Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp der ersten Dotierstoffspezies. Die Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp der ersten Dotierstoffspezies können ein relativ flaches Energieniveau aufweisen. In einem zweiten Tiefenbereich 115 von t=d/2 bis t=d entsprechen mindestens 30% oder sogar mindestens 50% der Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp der zweiten Dotierstoffspezies. Die zweite Dotierstoffspezies vom ersten Leitfähigkeitstyp kann einen Dotierstoff oder zwei Dotierstoffe enthalten, die jeweils tief liegende Energieniveaus aufweisen können. Es ist insbesondere möglich, dass die Dotierstoffe der zweiten Dotierstoffspezies mit ausschließlich einem oder ausschließlich zwei Dotierstoffen gebildet sind, mit Ausnahme von Verunreinigungen. Bei dem ersten Tiefenbereich 114 handelt es sich beispielsweise um einen oberen Teil des ersten Halbleitergebiets 104 und bei dem zweiten Tiefenbereich 115 handelt es sich beispielsweise um einen unteren Teil des ersten Halbleitergebiets 104.
  • Bezeichnet man die Dotierstoffdosis vom ersten Leitfähigkeitstyp, d.h. bezogen auf sämtliche Dotierstoffspezies vom ersten Leitfähigkeitstyp, im ersten Tiefenbereich 114 des ersten Halbleitergebiets 104 mit q1 und die Dosen der ersten und zweiten Dotierstoffspezies mit q11 und q12, so gilt im ersten Tiefenbereich 114: q 11 / q 1 > 0,6.
    Figure DE102018103550A1_0001
  • Bezeichnet man die Dotierstoffdosis vom ersten Leitfähigkeitstyp, d.h. bezogen auf sämtliche Dotierstoffspezies vom ersten Leitfähigkeitstyp, des ersten Halbleitergebiets 104 im zweiten Tiefenbereich 115 mit q2 und die Dosen der ersten und zweiten Dotierstoffspezies mit q21 und q22, so gilt im zweiten Tiefenbereich 115: q 22 / q 2 > 0,3.
    Figure DE102018103550A1_0002
  • Eine Dotierstoffdosis im ersten Tiefenbereich 114 gibt die entlang der vertikalen Richtung im ersten Tiefenbereich 114 von t=0 bis t=d/2 integrierte Dotierstoffkonzentration an, d.h. eine Menge an Dotierstoffen bezogen auf eine Einheitsfläche, z.B. cm2. Eine Dotierstoffdosis im zweiten Tiefenbereich 115 gibt die entlang der vertikalen Richtung im zweiten Tiefenbereich 115 von t=d/2 bis t=d integrierte Dotierstoffkonzentration an, d.h. eine Menge an Dotierstoffen bezogen auf eine Einheitsfläche, z.B. cm2. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die der Rekombination dienende zweite Dotierstoffspezies im Mittel näher am pn-Übergang 110 positioniert als die erste Dotierstoffspezies. Mit anderen Worten, der überwiegende Anteil der zweiten Dotierstoffspezies ist näher am pn-Übergang 110 positioniert als der überwiegende Anteil der ersten Dotierstoffspezies, wobei mit „überwiegend“ wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 80%, der Menge der jeweiligen Dotierstoffspezies gemeint sein kann. Generell kann sich der Begriff „im Mittel“ in dieser Anmeldung auf einen überwiegenden Anteil der jeweiligen Dotierstoffspezies beziehen. Somit lässt sich eine auf die erste Dotierstoffspezies zurückzuführende Ladungsträgerinjektion angesichts der im Mittel tiefer positionierten zweiten Dotierstoffspezies durch die Rekombinationswirkung der zweiten Dotierstoffspezies reduzieren. Dies kann sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung auswirken.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine maximale Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies in dem ersten Tiefenbereich 114 größer ist als eine maximale Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies in dem zweiten Tiefenbereich 115.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine maximale Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies in dem ersten Tiefenbereich 114 kleiner als eine maximale Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies in dem zweiten Tiefenbereich 115. Es ist möglich, dass eine derartige Verteilung der Dotierstoffkonzentrationen für die Injektionsbedingungen nicht kritisch ist, da im Fall tief liegender Energieniveaus im neutralen Zustand nur ein relativ geringer Anteil der eingebrachten Dotierstoffe elektrisch aktiv ist und zur Ladungsträgerinjektion deshalb nur relativ wenig beiträgt.
  • Gemäß dem in der schematischen Querschnittsansicht von 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Halbleitervorrichtung 100 ist eine mittlere Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies c1 in einem an die erste Oberfläche 108 des SiC Halbleiterkörpers 102 angrenzenden ersten Teil 118 des ersten Halbleitergebiets 104 größer als eine mittlere Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies c2. In einem an das zweite Halbleitergebiet 106 angrenzenden zweiten Teil 119 des ersten Halbleitergebiets 104 ist die mittlere Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies c2 größer als die mittlere Dotierstoffkonzentration c1 der ersten Dotierstoffspezies. Mit der mittleren Dotierstoffkonzentration wird ein Mittelwert der Dotierstoffkonzentration im jeweiligen Bereich bezeichnet.
  • Somit gilt im ersten Teil 118, d.h. im Tiefenbereich von t=0 bis t=tref, wobei tref eine Referenztiefe kennzeichnet, in der der erste Teil 118 an den zweiten Teil 119 entlang der vertikalen Richtung y angrenzt: c 1 ¯ > c 2 ¯
    Figure DE102018103550A1_0003
  • Ebenso gilt im zweiten Teil 119, d.h. im Tiefenbereich von t=tref bis t=d: c 2 ¯ > c 1 ¯
    Figure DE102018103550A1_0004
     c1 sind hierbei die Dotierstoffe mit den relativ flachen Energieniveaus (beispielsweise Stickstoffatome) und c2 ein oder mehrere Dotierstoffe mit relativ tiefen Energieniveaus (beispielsweise Bor und/oder Gallium).
  • In einem engeren Tiefenbereich als oben angegeben kann je nach Implantationsbedingungen, z.B. der verwendeten Implantationsenergien und Ausheilbedingungen, jeweils auch das umgekehrte Verhalten vorliegen, solange die obigen Gleichungen (3) und (4) bei diesem Ausführungsbeispiel erfüllt sind. Ebenso kann für jede Tiefe im ersten Teil c1 (t) >c2 (t) erfüllt sein, während für jede Tiefe im zweiten Teil c2 (t) > c1 (t) erfüllt sein kann.
  • Wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach 2 beschrieben ist, ist auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 die der Rekombination dienende zweite Dotierstoffspezies im Mittel näher am pn-Übergang 110 positioniert als die erste Dotierstoffspezies. Damit können auch mit diesem Ausführungsbeispiel die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 2 erläuterten Vorteile erzielt werden.
  • Beispielsweise liegt die Referenztiefe tref in einem Bereich zwischen 50% bis 80% der vertikalen Erstreckung d des ersten Halbleitergebiets 104 in den SiC Halbleiterkörper 102, d.h. es gilt gemäß diesem Ausführungsbeispiel: 0,5  d ≤ tref ≤ 0 ,8 d .
    Figure DE102018103550A1_0005
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste Halbleitergebiet p-dotiert und das zweite Halbleitergebiet ist n-dotiert. In einem an das p-dotierte erste Halbleitergebiet angrenzenden Teil der n-dotierten Driftzone kann eine teilweise Kompensation der n-Dotierung mit Bor vorliegen. Dies führt zu einer Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit aufgrund der zusätzlichen Streuzentren des Bors in der Driftzone. Die partielle Dotierstoffkompensation senkt zudem die Netto-Hintergrundladung. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine erhöhte Durchbruchsfestigkeit erzielt werden. Außerdem kann die zusätzliche Bordotierung in der Driftzone die Ausbreitung von schädlichen Kristalldefekten in vorteilhafter Weise beeinflussen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das beispielhaft in der schematischen Ansicht von 4 veranschaulicht ist, ist die erste Dotierstoffspezies Aluminium und die zweite Dotierstoffspezies Bor, und in einem ersten Teilgebiet 1181 und einem zum ersten Teilgebiet 1181 in der vertikalen Richtung y beabstandeten zweiten Teilgebiet 1182 des ersten Halbleitergebiets 104 ist eine Konzentration von Aluminium cAl größer als eine Konzentration von Bor cB . Zwischen dem ersten Teilgebiet 1181 und dem zweiten Teilgebiet 1182 liegt ein drittes Teilgebiet 1183, in dem eine Konzentration von Bor cB größer ist als eine Konzentration von Aluminium cAl . Hiermit lässt sich beispielsweise eine Anzahl von Al-Implantationen bei der Ausbildung des ersten Halbleitergebiets 104 dadurch verringern, dass vertikal beabstandete Teilgebiete, in denen die Dotierstoffspezies Al überwiegt, durch Gebiete, in denen die Dotierstoffspezies B überwiegt, miteinander elektrisch verbunden werden. Angesichts der im Vergleich zu Al stärkeren Diffusion von Bor in SiC lässt sich damit die Gesamtzahl von Implantationen bei der Bildung des ersten Halbleitergebiets 104 verringern. Beispielsweise ist eine maximale Konzentration von Aluminium in dem ersten Teilgebiet 1181 und dem zweiten Gebiet 1182 größer als eine maximale Konzentration von Bor in dem dritten Teilgebiet 1183. Unterhalb des zweiten Teilgebiets 1182 können sich eines oder mehrere weitere Teilgebiete des ersten Halbleitergebiets 104 anschließen, z.B. der oder ein Teil des zweiten Tiefenbereichs 115 gemäß 2. Optional können eines oder auch mehrere dieser Teilgebiete zusätzlich die Dotierstoffspezies Gallium enthalten.
  • In den 5A bis 5D sind Profile von Dotierstoffkonzentrationen zur Ausbildung des ersten Halbleitergebiets 104 gezeigt. Hierbei sind die Profile der das erste Halbleitergebiet 104 bildenden Implantationen über einer vertikalen Erstreckung in die Tiefe t dargestellt.
  • In dem Diagramm von 5A wird das erste Halbleitergebiet 104 durch Überlagerung eines ersten Profils einer Al-Konzentration c1Al und eines im Vergleich zum ersten Profil einer Al-Konzentration c1Al tiefer liegenden ersten Profils einer B-Konzentration c1B gebildet. Der Tiefenbereich, in dem die Konzentration c1Al größer ist als die Konzentration c1B entspricht beispielsweise dem ersten Teil 118 in dem Ausführungsbeispiel in 3 und der Tiefenbereich, in dem die Konzentration c1B größer ist als die Konzentration c1Al entspricht beispielsweise dem zweiten Teil 119 in dem Ausführungsbeispiel in 3. Selbstverständlich kann das erste Halbleitergebiet 104 auch aus einer Überlagerung mehrerer Al-Implantationsprofile, deren Maxima in unterschiedlicher Tiefe liegen, aufgebaut sein. Ebenso kann das erste Halbleitergebiet 104 auch aus einer Überlagerung mehrerer B-Implantationsprofile, deren Maxima in unterschiedlichen Tiefen liegen, aufgebaut sein. Dies gilt ebenso hinsichtlich der weiteren in 5B bis 5D dargestellten beispielhaften Profile. Ein Profil einer Dotierstoffkonzentration cc im zweiten Halbleitergebiet 106 ist in den 5A bis 5D beispielhaft als konstantes Profil dargestellt. Optional können eines oder auch beide dieser Teilgebiete zusätzlich die Dotierstoffspezies Gallium enthalten.
  • In dem Diagramm von 5B wird das erste Halbleitergebiet 104 durch Überlagerung eines ersten Profils einer Al-Konzentration c1Al , eines im Vergleich zum ersten Profil einer Al-Konzentration c1Al tiefer liegenden zweiten Profils einer Al-Konzentration c2Al und eines ersten Profils einer B-Konzentration c1B , dessen Maximum im Bereich der Tiefe des Maximums der Konzentration c2Al liegt, gebildet. Das zweite Profil einer Al-Konzentration c2Al kann auch durch ein Galliumdotierungsprofil ersetzt oder ergänzt werden.
  • In dem Diagramm von 5C wird das erste Halbleitergebiet 104 durch Überlagerung eines ersten Profils einer Al-Konzentration c1Al , eines im Vergleich zum ersten Profil einer Al-Konzentration c1Al tiefer liegenden zweiten Profils einer Al-Konzentration c2Al und eines ersten Profils einer B-Konzentration c1B , dessen Maximum tiefer liegt als das Maximum der Konzentration c2Al , gebildet. Das zweite Profil einer Al-Konzentration c2Al kann auch durch ein Galliumdotierungsprofil ersetzt oder ergänzt werden.
  • In dem Diagramm von 5D wird das erste Halbleitergebiet 104 durch Überlagerung eines ersten Profils einer Al-Konzentration c1Al und eines im Vergleich zum ersten Profil einer Al-Konzentration c1Al tiefer liegenden ersten Profils einer Ga-Konzentration c1Ga gebildet. Der Tiefenbereich, in dem die Konzentration c1Al größer ist als die Konzentration c1Ga , entspricht beispielsweise dem ersten Teil 118 in dem Ausführungsbeispiel in 3 und der Tiefenbereich, in dem die Konzentration c1Ga größer ist als die Konzentration c1Al entspricht beispielsweise dem zweiten Teil 119 in dem Ausführungsbeispiel in 3. Gallium zeigt im Vergleich zu Bor keinen schnell diffundierenden Anteil in die Tiefe des Halbleiterkörpers. Dies ist an den Ausläufern im Profil c1B in 5A bis 5C zu erkennen, die im Profil c1Ga in 5D fehlen. Diese Ausläufer im Profil c1B führen zu einer partiellen Dotierstoffkompensation von n-Dotierstoffen mit Bor. Dies führt zu einer Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit aufgrund der zusätzlichen Streuzentren des Bors. Die partielle Dotierstoffkompensation senkt zudem die Netto-Hintergrundladung. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine erhöhte Durchbruchsfestigkeit und eine verminderte Defektausbreitung erzielt werden, allerdings kann sich durch diesen Effekt der Einschaltwiderstand eines MOSFETs geringfügig erhöhen, weswegen auch eine Optimierungsmöglichkeit der elektrischen Eigenschaften der Halbleiterchips durch eine Kombination aller drei Dotierstoffe, d.h. Al, Ga und B, ermöglicht werden kann.
  • Die 6A und 6B zeigen eine Halbleitervorrichtung 500 mit einem SiC-Halbleiterkörper 100 mit streifenartigen Transistorzellen TC und tiefen Grabengatestrukturen 150.
  • Auf einer Vorderseite weist der SiC Halbleiterkörper 102 die erste Oberfläche 108 auf, welche koplanare Oberflächenabschnitte umfassen kann, die eine gerippte erste Oberfläche bilden können. Die erste Oberfläche 108 kann mit einer Hauptgitterebene zusammenfallen oder unter einer Winkelabweichung α schräg zu einer Gitterebene verlaufen, z.B. zur (0001)-Gitterebene, wobei die Winkelabweichung höchstens 12°, z.B. etwa 4°, betragen kann.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die <0001>-Kristallrichtung um eine Winkelabweichung α zu einer Normalen N geneigt. Die <11-20>-Kristallrichtung ist um die gleiche Winkelabweichung α zur horizontalen Ebene geneigt. Die <1-100>-Kristallrichtung steht orthogonal zur Querschnittsebene.
  • Auf der Rückseite weist der SiC Halbleiterkörper 102 die zur ersten Oberfläche 108 parallele zweite Oberfläche 112 auf.
  • Eine im SiC Halbleiterkörper 102 ausgebildete Driftstruktur 130 umfasst mindestens eine hoch dotierte Kontaktschicht 139, die an die zweite Oberfläche 112 angrenzt, sowie eine schwach dotierte Driftzone 131 vom zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen der ersten Oberfläche 108 und der hochdotierten Kontaktschicht 139. Optional kann zwischen der Driftzone 131 und der hochdotierten Kontaktschicht 139 noch eine Pufferschicht eingebaut sein, die eine Dotierungskonzentration aufweist, die im Mittel höher ist als die Dotierungskonzentration innerhalb der Driftzone 131 und niedriger als die Dotierungskonzentration innerhalb der Kontaktschicht 130 und auch denselben Leitfähigkeitstyp aufweist wie diese beiden Zonen.
  • Die hochdotierte Kontaktschicht 139 ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone 131 und kann ein aus einem Kristall gesägten bzw. von einem Kristall abgetrennter Substratabschnitt sein oder einen solchen aufweisen oder kann vollständig aus einem Epitaxieverfahren hervorgegangen sein. Die Kontaktschicht 139 bildet einen ohmschen Kontakt mit einer zweiten Lastelektrode 320, die direkt an die zweite Oberfläche 112 angrenzen kann. Entlang der zweiten Oberfläche 102 ist die Dotierstoffkonzentration der Kontaktschicht 139 ausreichend hoch, um einen niederohmigen Kontakt mit der zweiten Lastelektrode 320 auszubilden.
  • Die Driftzone 131 kann in einer durch Epitaxie auf der Kontaktschicht 139 aufgewachsenen Schicht ausgebildet sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131 liegt beispielsweise in einem Bereich von wenigstens 1015 cm-3 bis höchstens 5 × 1016 cm-3. Neben der Driftzone 131 und der Kontaktschicht 139 kann die Driftstruktur 130 weitere dotierte Gebiete aufweisen, zum Beispiel Feldstoppzonen, Sperr- bzw. Barrierezonen und/oder Stromspreizzonen des Leitfähigkeitstyps der Driftzone 131 und/oder inselartige, säulenförmige und/oder streifenförmige Gebiete vom komplementären Leitfähigkeitstyp.
  • Transistorzellen TC auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 102 sind entlang von Gatestrukturen 150 ausgebildet, die sich von der ersten Oberfläche 108 aus in den SiC Halbleiterkörper 102 erstrecken, wobei Mesaabschnitte 190 des SiC Halbleiterkörpers 100 benachbarte Gatestrukturen 150 voneinander trennen.
  • Eine Längsausdehnung der Gatestrukturen 150 entlang einer ersten horizontalen Richtung x1 ist größer als eine Weite der Gatestrukturen 150 entlang einer zweiten horizontalen Richtung x2 orthogonal zur ersten horizontalen Richtung und quer zur Längsausdehnung. Die Gatestrukturen 150 können Langgräben sein, die sich von einer Seite eines die Transistorzellen TC aufweisenden Zellenfeldbereichs bis zu einer gegenüberliegenden Seite erstrecken. Die Länge der Gatestrukturen 150 kann bis zu mehreren 100 µm, oder bis zu mehreren Millimetern oder sogar bis zu mehreren Zentimetern betragen kann.
  • Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die Gatestrukturen 150 entlang von parallelen Linien ausgebildet sein, die sich jeweils von einer Seite des Zellenfeldbereichs zur gegenüberliegenden Seite erstrecken, und wobei jeweils entlang derselben Linie eine Vielzahl voneinander getrennter Gatestrukturen 150 ausgebildet sind. Die Gatestrukturen 150 können auch ein Gitter mit den Mesaabschnitten 190 in den Maschen des Gitters bilden.
  • Die Gatestrukturen 150 können gleichmäßig voneinander beabstandet sein, können die gleiche Breite aufweisen und/oder können ein regelmäßiges Muster bilden. Ein Mitte-zu-Mitte Abstand der Gatestrukturen 150 kann in einem Bereich von wenigstens 1 µm bis höchstens 10 µm, z.B. von wenigstens 2 µm bis höchstens 5 µm, liegen. Eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150 kann wenigstens 300 nm bis höchstens 5 µm betragen, z.B. in einem Bereich von wenigstens 500 nm bis höchstens 2 µm liegen.
  • Seitenwände der Gatestrukturen 150 können vertikal zur ersten Oberfläche 108 ausgerichtet sein oder können leicht gegen die vertikale Richtung gekippt sein, wobei einander gegenüberliegende Seitenwände parallel oder schräg zueinander verlaufen können. Gemäß einer Ausführungsform nimmt die Weite der Gatestrukturen 150 mit zunehmendem Abstand zur ersten Oberfläche 108 ab. Beispielsweise weicht die eine Seitenwand um die Winkelabweichung α und die andere Seitenwand um -α von der Normalen N ab.
  • Die Mesaabschnitte 190 weisen zwei gegenüberliegende Mesa-Seitenwände 191, 192 auf, die unmittelbar an zwei benachbarte Gatestrukturen 150 angrenzen. Mindestens eine erste Mesa-Seitenwand 191 liegt in einer Gitterebene mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, z.B. im Fall von 4H-SiC in einer (11-20)-Gitterebene, der sog. A-Ebene. Die der ersten Mesa-Seitenwand 191 gegenüberliegende zweite Mesa-Seitenwand 192 kann um das Doppelte der Winkelabweichung α, beispielsweise um etwa 8°, zur betreffenden Gitterebene geneigt sein.
  • Die Gatestrukturen 150 weisen eine leitfähige Gateelektrode 155 auf, die eine hochdotierte polykristalline Siliziumschicht, eine ein- oder mehrteilige Metallstruktur oder beides aufweisen kann. Die Siliziumschicht kann mit einer Gate-Metallisierung elektrisch verbunden sein, die einen Gateanschluss ausbildet oder mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
  • Entlang mindestens einer Seite der Gatestruktur 150 trennt ein Gatedielektrikum 159 die Gateelektrode 155 vom SiC Halbleiterkörper 102. Das Gatedielektrikum 159 kann ein Halbleiter-Dielektrikum, zum Beispiel ein thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Halbleiteroxid, z.B. Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel ein abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxidnitrid, zum Beispiel ein Siliziumoxynitrid, ein anderes abgeschiedenes dielektrisches Material oder eine beliebige Kombination aus den genannten Materialien aufweisen. Die Schichtdicke des Gatedielektrikums 159 kann beispielsweise so gewählt sein, dass eine Schwellenspannung der Transistorzellen TC in einem Bereich von 1V bis 8V liegt.
  • Die Gatestrukturen 150 können ausschließlich die Gateelektrode 155 und das Gatedielektrikum 159 aufweisen oder können zusätzlich zur Gateelektrode 155 und zum Gatedielektrikum 159 weitere leitfähige und dielektrische Strukturen, z.B. Feldplatten und Trenndielektrika aufweisen.
  • In den Mesaabschnitten 190 sind zur Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 102 hin Sourcegebiete 111 ausgebildet, die direkt an die erste Oberfläche 108 und an die erste Mesa-Seitenwand 191 des jeweiligen Mesaabschnitts 190 angrenzen können. Dabei kann jeder Mesaabschnitt 190 ein Sourcegebiet 111 mit im SiC Halbleiterkörper 102 miteinander verbundenen Abschnitten oder mit mindestens zwei im SiC Halbleiterkörper 102 voneinander getrennten Abschnitten aufweisen, die über einen an den Mesaabschnitt 190 angrenzenden Kontakt oder Grabenkontakt niederohmig miteinander elektrisch verbunden sind.
  • Die Mesaabschnitte 190 umfassen ferner dotierte Gebiete 120, die die Sourcegebiete 111 von der Driftstruktur 130 trennen, und erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 130 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcegebieten 111 bilden. Die dotierten Gebiete 120 bilden einen ohmschen Kontakt mit der ersten Lastelektrode 310.
  • Im gezeichneten Ausführungsbeispiel umfasst ein dotiertes Gebiet 120 ein schwächer dotiertes Bodygebiet 121 und ein stärker dotiertes Abschirmgebiet 122.
  • Das Bodygebiet 121 grenzt unmittelbar an die erste Mesa-Seitenwand 191 an. Im eingeschalteten Zustand der Transistorzelle TC wird im Bodygebiet 121 entlang der Gatestruktur 150 ein das Sourcegebiet 110 mit der Driftstruktur 130 verbindender Inversionskanal ausgebildet. Eine vertikale Ausdehnung des Bodygebiets 121 entspricht einer Kanallänge der Transistorzellen TC und kann beispielsweise 200 nm bis 1500 nm betragen.
  • Die Abschirmgebiete 122, die einen Schutz eines Bodens der Gatestruktur 150 (sogenannter Trenchboden) für den Fall hoher Feldstärken im sperrenden Zustand gewährleisten, sind zwischen den Bodygebieten 121 und den zweiten Mesa-Seitenwänden 192 ausgebildet und können unmittelbar an die Bodygebiete 121 angrenzen. Eine vertikale Erstreckung der Abschirmgebiete 122 kann größer sein als eine vertikale Ausdehnung der Bodygebiete 121, beispielsweise größer als eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150. Ein Teil eines Abschirmgebietes 122 kann direkt zwischen dem Boden der Gatestruktur 150 und der zweiten Oberfläche 112 ausgebildet sein und die Gatestruktur 150 gegen das Potential der zweiten Lastelektrode 320 abschirmen. Eine maximale Dotierstoffkonzentration p12 in den Abschirmgebieten 122 entlang der zweiten Mesa-Seitenwände 192 ist höher, z.B. mindestens zweimal oder sogar fünfmal höher, als eine maximale Dotierstoffkonzentration p11 in den Bodygebieten 121 entlang der ersten Mesa-Seitenwände 191.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann einen Sourceanschluss S ausbilden oder mit dem Sourceanschluss S elektrisch verbunden oder gekoppelt sein. Die zweite Lastelektrode 320 auf der Rückseite kann einen Drainanschluss D ausbilden oder mit dem Drainanschluss D elektrisch verbunden oder gekoppelt sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Transistorzellen TC n-Kanal-FET-Zellen mit p-dotierten Bodygebieten 121, n-dotierten Sourcegebieten 110 und einer n-dotierten Driftzone 131. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Transistorzellen TC p-Kanal-FET-Zellen mit n-dotierten Bodygebieten 121, p-dotierten Sourcegebieten 110 und einer p-dotierten Driftzone 131.
  • Ein im eingeschalteten Zustand der Halbleitervorrichtung 500 zwischen der ersten und der zweiten Lastelektrode 310, 320 durch den SiC Halbleiterkörper 102 fließender Laststrom passiert die Bodygebiete 121 in entlang dem Gatedielektrikum 159 induzierten Inversionskanälen. Die im Vergleich zur Dotierstoffkonzentration in den Bodygebieten 121 höhere Dotierstoffkonzentration in den Abschirmgebieten 122 unterdrückt bei Betrieb innerhalb der Absolutgrenzdaten die Ausbildung von Inversionskanälen entlang der zweiten Mesa-Seitenwände 192 und bietet insbesondere einen Schutz des Bodens der Gatestruktur 150 für den Fall hoher Feldstärken im sperrenden Zustand. Da dieses Gebiet insbesondere dem Schutz des Bodens der Gatestruktur 150 im sperrenden Zustand dient, ist die Dotierung dieses Gebietes mit Dotierstoffen, die tief liegende Energieniveaus aufweisen, besonders vorteilhaft. Da dieses Gebiet nur eine relativ geringe Injektion von freien Ladungsträgern bewirken sollte, wird dies im Durchlasszustand durch die nur relativ geringe Aktivierung dieser Dotierstoffe in hervorragender Weise gewährleistet, ohne jedoch bei der Schutzwirkung für den Boden der Gatestruktur 150 Einbußen hinnehmen zu müssen, da diese Atome mit tief liegenden Energieniveaus wiederum annähernd vollständig aktiviert sind, sobald sie innerhalb einer Raumladungszone liegen.
  • Die 7 zeigt eine Halbleitervorrichtung 500 mit planaren Gatestrukturen 150 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 102, wobei innerhalb eines Zellenfeldbereichs eine einzelne Gatestruktur 150 zwei symmetrisch zur Gatestruktur 150 ausgebildeten Transistorzellen TC zugeordnet ist.
  • Die Gatestrukturen 150 umfassen eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 159, das direkt auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet ist und die Gateelektrode 155 vom SiC Halbleiterkörper 102 trennt. Ein sich von der ersten Oberfläche 108 aus in den SiC Halbleiterkörper 1020 erstreckendes dotiertes Gebiet 120 ist jeweils zwei benachbarten Transistorzellen TC zweier benachbarter Gatestrukturen 150 zugeordnet. Sourcegebiete 110 der zwei Transistorzellen TC erstrecken sich von der ersten Oberfläche 108 aus in das dotierte Gebiet 120. Das dotierte Gebiet 120 weist ein Kontaktgebiet 129 auf, in dem die Dotierstoffkonzentration höher ist als die Dotierstoffkonzentration in einem Hauptgebiet des dotierten Gebiets 120 außerhalb des Kontaktgebiets 129, das zwischen den Sourcegebieten 111 an die erste Oberfläche 101 angrenzen kann. Das Hauptgebiet des dotierten Gebiets 120 bildet das Bodygebiet 121 der Transistorzelle TC aus.
  • Eine Driftstruktur 130 mit einer Driftzone 131 und einer Kontaktschicht 139 trennt die Transistorzellen TC von einer zweiten Oberfläche 112 des SiC Halbleiterkörpers 102, wobei die Driftzone 131 zwischen benachbarten Bodygebieten 121 und unterhalb der Gateelektroden 155 an die erste Oberfläche 108 reichen kann.
  • Im eingeschalteten Zustand bilden die Transistorzellen TC in Kanalbereichen der Bodygebiete 121 entlang dem Gatedielektrikum 159 laterale Inversionskanäle, die die Sourcegebiete 110 mit den an die erste Oberfläche 108 angrenzenden Abschnitten der Driftstruktur 130, z.B. mit der Driftzone 131 verbinden.
  • Ein Zwischenlagendielektrikum 210 trennt die Gateelektrode 155 von einer ersten Lastelektrode 310 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 102. Kontakte 315 in Öffnungen des Zwischenlagendielektrikums 210 verbinden die erste Lastelektrode 310 mit den Kontaktgebieten 129 und den Sourcegebieten 111.
  • In 8 sind die Gatestrukturen 150 in flachen Gräben mit annähernd V-förmiger vertikaler Querschnittsfläche ausgebildet. Die Gateelektrode 155 kann sich in annähernd gleichmäßiger Schichtdicke entlang der Seitenwände und des Bodens der Gräben erstrecken. Mesaabschnitte 190 des SiC Halbleiterkörpers 102 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 umfassen entlang der ersten Oberfläche 108 ausgebildete Sourcegebiete 111 sowie dotierte Gebiete 120 zwischen den Sourcegebieten 110 und der Driftstruktur 130, wobei die dotierten Gebiete 120 jeweils ein schwächer dotiertes Bodygebiet 121 und ein stärker dotiertes Kontaktgebiet 129 aufweisen können.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 der 9 weist sich von der ersten Oberfläche 108 in einen SiC Halbleiterkörper 102 erstreckende Gatestrukturen 150 auf, wobei die Seitenwände der Gatestrukturen 150 vertikal zur ersten Oberfläche 108 verlaufen. In Mesaabschnitten 190 des SiC Halbleiterköpers 100 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 sind dotierte Gebiete 120 ausgebildet, die erste pn-Übergänge pn1 mit einer Driftstruktur 130 und zweite pn-Übergänge pn2 mit entlang der ersten Oberfläche 108 ausgebildeten Sourcegebieten 111 ausbilden.
  • Ein Zwischenlagendielektrikum 210 trennt eine Gateelektrode 155 der Gatestrukturen 150 von einer ersten Lastelektrode 310. Zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 erstrecken sich Grabenkontakte 316 von der ersten Lastelektrode 310 aus in die Mesaabschnitte 190, kontaktieren den SiC Halbleiterkörper 102 seitlich und verbinden die Sourcegebiete 111 mit der ersten Lastelektrode 310. Eine vertikale Ausdehnung eines Abschnitts des Grabenkontakts 316 im SiC Halbleiterkörper 102 kann in etwa der vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen 150 entsprechen.
  • Ein Teil des dotierten Gebiets 120 kann jeweils unterhalb der Grabenkontakte 316 ausgebildet sein und diesen von der Driftstruktur 130 trennen. Ein stärker dotiertes Kontaktgebiet 129 des dotierten Gebiets 120 kann unmittelbar an den Grabenkontakt 316 anschließen.
  • Die in den 6A bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiele sind beispielhafte FETs der in den 1 bis 5D gezeigten Halbleitervorrichtungen 100, wobei die Bodygebiete 121 in 6B, 7, 8, 9 dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen ersten Halbleitergebiet 104 entsprechen können. Ebenso kann das Abschirmgebiet 122 in 6B dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen ersten Halbleitergebiet 104 entsprechen. Auch können sowohl das Bodygebiet 121 als auch das Abschirmgebiet 122 wie das im Zusammenhang mit der 1 beschriebene ersten Halbleitergebiet 104 aufgebaut sein. Die Driftzone 131 in 6B, 7, 8, 9 kann beispielsweise dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen zweiten Halbleitergebiet 106 entsprechen.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.

Claims (19)

  1. Halbleitervorrichtung (100), die aufweist: einen SiC Halbleiterkörper (102), der ein erstes Halbleitergebiet (104) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Halbleitergebiet (106) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist; wobei das erste Halbleitergebiet (104) an einer ersten Oberfläche (108) des SiC Halbleiterkörpers (102) elektrisch kontaktiert ist und einen pn-Übergang (110) mit dem zweiten Halbleitergebiet (106) bildet; das erste Halbleitergebiet (104) und das zweite Halbleitergebiet (106) in einer vertikalen Richtung (y) senkrecht zur ersten Oberfläche (108) übereinander angeordnet sind; das erste Halbleitergebiet (104) eine erste Dotierstoffspezies und eine zweite Dotierstoffspezies aufweist; ein energetischer Abstand der ersten Dotierstoffspezies zur nächstgelegenen Bandkante weniger als 250 meV beträgt; und ein energetischer Abstand der zweiten Dotierstoffspezies zur nächstgelegenen Bandkante mehr als 250 meV beträgt.
  2. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Dotierstoffspezies Al ist und die zweite Dotierstoffspezies B oder Ga ist.
  3. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Halbleitergebiet (104) zusätzlich eine dritte Dotierstoffspezies vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die zweite Dotierstoffspezies B oder Ga ist und wobei die dritte Dotierstoffspezies der von der zweiten Dotierstoffspezies verschiedenen Spezies aus B und Ga entspricht.
  4. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Halbleitergebiet (104) eine vertikale Erstreckung d entlang der vertikalen Richtung (y) des SiC Halbleiterkörpers (102) aufweist, wobei im ersten Halbleitergebiet (104), ausgehend von der ersten Oberfläche (108), in einem ersten Tiefenbereich (114) von 0 bis d/2 mindestens 60% der Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp der ersten Dotierstoffspezies entsprechen, und in einem zweiten Tiefenbereich (115) von d/2 bis d mindestens 30% der Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp der zweiten Dotierstoffspezies entsprechen.
  5. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei eine maximale Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies in dem ersten Tiefenbereich (114) größer ist als eine maximale Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies in dem zweiten Tiefenbereich (115).
  6. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei eine maximale Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies in dem ersten Tiefenbereich (114) kleiner ist als eine maximale Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies in dem zweiten Tiefenbereich (115).
  7. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies (c1) in einem an die erste Oberfläche (108) des SiC Halbleiterkörpers (102) angrenzenden ersten Teil (118) des ersten Halbleitergebiets (104) größer ist als eine mittlere Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies (c2), und eine mittlere Dotierstoffkonzentration der zweiten Dotierstoffspezies (c2) in einem an das zweite Halbleitergebiet (106) angrenzenden zweiten Teil (119) des ersten Halbleitergebiets (104) größer ist als eine Dotierstoffkonzentration der ersten Dotierstoffspezies (c1).
  8. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei der erste Teil (118) ausgehend von der ersten Oberfläche (108) in einer Tiefe t in den zweiten Teil (119) übergeht, und die Tiefe t in einem Bereich zwischen 50% bis 80% einer vertikalen Eindringtiefe (d) des ersten Halbleitergebiets (104) in den SiC Halbleiterkörper (102) liegt.
  9. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Halbleitergebiet (106) eine Driftzone ist.
  10. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Driftzone einen ersten Bereich und einen im Vergleich zum ersten Bereich geringer dotierten zweiten Bereich aufweist, und der erste Bereich der Driftzone zwischen dem ersten Halbleitergebiet und dem zweiten Bereich der Driftzone angeordnet ist.
  11. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Halbleitergebiet (104) p-dotiert ist und das zweite Halbleitergebiet (106) n-dotiert ist.
  12. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei in einem an das p-dotierte erste Halbleitergebiet (104) angrenzenden Teil der n-dotierten Driftzone eine teilweise Kompensation der n-Dotierung mit Bor vorliegt.
  13. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Teilgebiet (1181) und einem zum ersten Teilgebiet (1181) in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Teilgebiet (1182) des ersten Halbleitergebiets (104) eine Konzentration der ersten Dotierstoffspezies eine Konzentration der zweiten Dotierstoffspezies übersteigt, wobei zwischen dem ersten Teilgebiet (1181) und dem zweiten Teilgebiet (1182) ein drittes Teilgebiet (1183) liegt, in dem eine Konzentration der zweiten Dotierstoffspezies eine Konzentration der ersten Dotierstoffspezies übersteigt.
  14. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei eine maximale Konzentration der ersten Dotierstoffspezies in dem ersten Teilgebiet (1181) und dem zweiten Teilgebiet (1182) größer ist als eine maximale Konzentration der zweiten Dotierstoffspezies in dem dritten Teilgebiet (1183).
  15. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zudem aufweist: eine ersten Lastanschluss an der ersten Oberfläche (108) des SiC Halbleiterkörpers (102); einen zweiten Lastanschluss an der zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers; wobei die Halbleitervorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Laststrom von mindestens 1A zu leiten.
  16. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleitervorrichtung ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, IGFET, ist und das erste Halbleitergebiet (104) ein Bodygebiet ist, das an ein Gatedielektrikum angrenzt.
  17. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Halbleitervorrichtung ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, IGFET, ist und das erste Halbleitergebiet (104) tiefer in den SiC Halbleiterkörper (102) reicht als ein Bodygebiet, das an ein Gatedielektrikum angrenzt.
  18. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 17, wobei das Gatedielektrikum des IGFETs in einem Gategraben ausgebildet ist, und das Bodygebiet an eine erste Seitenwand des Gategrabens angrenzt; und die erste Seitenwand einer zweiten Seitenwand des Gategrabens gegenüberliegt, und das erste Gebiet an die zweite Seitenwand des Gategrabens angrenzt.
  19. Halbleitervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Halbleitervorrichtung (100) eine Leistungshalbleiterdiode ist und das erste Gebiet ein Anodengebiet ist.
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