DE102018103973B4 - Siliziumcarbid-halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, das aufweist:eine Feldeffekttransistorstruktur in einem SiC Halbleiterkörper (100) mit einer Gatestruktur (150) an einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) und einer Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;ein Halbleitergebiet (120, 160) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp;eine Zone (133) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Halbleitergebiet (120, 160) und der Driftzone (131) ausgebildet ist, wobeidie Zone (133) von der Gatestruktur beabstandet ist und von dem Halbleitergebiet (120, 160) in der vertikalen Richtung maximal 1 µm entfernt ist.

Description

  • TECHNISCHES FELD
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft SiC(Siliziumcarbid)-Halbleiterbauelemente, beispielsweise Halbleiterschalter mit niedrigem Einschaltwiderstand und hoher Spannungsfestigkeit
  • HINTERGRUND
  • In Halbleiterbauelementen mit Feldeffekttransistorstrukturen und einer Driftzone bilden pn-Übergänge zwischen der Driftzone und Bodygebieten der Feldeffekttransistoren eine intrinsische Bodydiode. Wird die Bodydiode in Flussrichtung betrieben, so stellt sich ein bipolarer Ladungsträgerfluss durch die Bodygebiete und die Driftzone ein. Elektrische Eigenschaften der Bodydiode, wie z.B. Einsatzspannung, Flussspannung und Stromtragfähigkeit ergeben sich aus der Dotierung und den Abmessungen von dotierten Gebieten an Halbleiter/Metall-Übergängen, die ihrerseits hinsichtlich der angestrebten Transistoreigenschaften festgelegt werden.
  • Die Druckschrift DE 10 2017 128 633 A1 beschreibt n-Kanal SiC-MOSFETs mit Grabengateelektroden und tiefen Kontaktstrukturen zwischen den Grabengateelektroden. Am Boden der tiefen Kontaktstrukturen sind p-dotierte Abschirmgebiete ausgebildet. Die Gateelektroden können metallische Strukturen aufweisen. In der Druckschrift DE 10 2015 111 213 A1 erzeugen in den Halbleiterkörper von SiC-Halbleiterbauelementen eingebrachte, nicht-dotierende Teilchen Punktdefekte, wobei die Punktdefekte von rekombinierenden Ladungsträgern in der Regel nicht in sich entlang von Gitterebenen wachsende Stapelfehler übergeführt werden und/oder als Barrieren gegen das Ausbreiten solcher Stapelfehler wirken können.
  • In der Druckschrift US 2005 / 0 230 702 A1 wird eine Hochspannungsdiode beschrieben, bei der die Ladungsträgerlebensdauer durch Bestrahlung mit leichten Ionen auf einen Wert reduziert wird, der von der Dotierstoffkonzentration des Anodenemitters in einem Abstand von der Emitteroberfläche abhängt. Die Druckschrift US 2017 / 0 025 524 A1 beschreibt n-Kanal SiC MOSFETs mit einer Ladungsträgerlebensdauer-Reduktionsschicht in der Nähe des pn-Übergangs zwischen den Bodygebieten der Transistorzellen und der Driftzone. Die Ladungsträgerlebensdauer-Reduktionsschicht wird durch die Implantation von Helium und/oder Protonen gebildet. Die Druckschrift EP 2 192 211 A1 beschreibt einen Abscheidungsprozess für eine Siliziumcarbidschicht auf einer Substratoberfläche, deren mittlere Oberflächennormale um einen Winkel kleiner 8° gegen die <0001> Gitterrichtung gekippt ist.
  • Es wird allgemein angestrebt, Eigenschaften wie die Avalanche-Robustheit, die Durchbruchsfestigkeit und den Einschaltwiderstand von Bauelementen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Halbleiterbauelement, das eine Feldeffekttransistorstruktur in einem SiC Halbleiterkörper mit einer Gatestruktur an einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers und einer Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist. Eine Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp ist in einer vertikalen Richtung zwischen einem Halbleitergebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und der Driftzone ausgebildet. Die Zone ist von der Gatestruktur beabstandet und von dem Halbleitergebiet in der vertikalen Richtung maximal 1 µm entfernt.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft zudem ein Halbleiterbauelement, das eine Merged-Pin-Schottky, MPS, Diodenstruktur in einem SiC Halbleiterkörper mit einer Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist. Ein Injektionsgebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp grenzt an eine erste Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers an. Eine Kontaktstruktur an der ersten Oberfläche bildet einen Schottky-Kontakt mit der Driftzone und kontaktiert das Injektionsgebiet elektrisch. Eine Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp ist zwischen dem Injektionsgebiet und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers ausgebildet. Die Zone ist von dem Injektionsgebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp maximal 1 µm entfernt.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Halbleiterbauelement, das in einem SiC Halbleiterkörper mit einer Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp eine pn Diodenstruktur aufweist. Ein Injektionsgebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp grenzt an eine erste Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers an. Eine Kontaktstruktur an der ersten Oberfläche kontaktiert das Injektionsgebiet elektrisch. Eine Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp ist zwischen dem Injektionsgebiet und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers ausgebildet. Die Zone ist von der Kontaktstruktur an der ersten Oberfläche elektrisch getrennt und von dem Injektionsgebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp maximal 1 µm entfernt.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft zudem ein Halbleiterbauelement mit einem SiC Halbleiterkörper mit einer Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Ein dotiertes Gebiet von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist zwischen einer ersten Oberfläche des SiC Halbleiterkörpers und der Driftzone ausgebildet. Eine Rekombinationszone mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen ist zwischen dem dotierten Gebiet und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ausgebildet. Eine von der Rekombinationszone beabstandete weitere Rekombinationszone mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen ist zwischen dem dotierten Gebiet und der Rekombinationszone oder im dotierten Gebiet ausgebildet und ist mit einem maximalen Abstand von 1µm zur Driftzone ausgebildet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstands erschließen sich dem Fachmann beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und dem Betrachten der Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen vermitteln ein tiefergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen für ein Halbleiterbauelement und für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern deren Prinzipien. Das hier beschriebene Halbleiterbauelement und das hier beschriebene Verfahren sind somit nicht durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele und beabsichtigte Vorteile ergeben sich aus dem Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus Kombinationen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, selbst wenn diese nicht explizit beschrieben sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit einer intrinsischen Bodydiode mit reduziertem Emitterwirkungsgrad gemäß einer Ausführungsform mit einer Zone vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone zwischen den Bodygebieten und der Driftzone.
    • 2A ist ein schematischer horizontaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit streifenartigen Feldeffekttransistorstrukturen und mit Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode, wobei die Zonen zu Halbleitergebieten vom Leitfähigkeitstyp von Bodygebieten ausgerichtet sind.
    • 2B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch den Abschnitt des SiC Halbleiterbauelements nach 2A entlang der Querschnittslinie B-B'.
    • 3A ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit planaren Gatestrukturen und mit zu Bodygebieten ausgerichteten Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 3B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit flachen Gatestrukturen und mit zu Bodygebieten ausgerichteten Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 3C ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit tiefen Gatestrukturen, tiefen Kontaktgräben und mit zu Diodenanschlussgebieten ausgerichteten Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 4 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit tiefen Gatestrukturen und mit einer durchgehenden Zone vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 5 ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit tiefen Gatestrukturen und mit einer durchgehenden, von Halbleitergebieten vom Leitfähigkeitstyp von Bodygebieten beabstandeten Zone vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 6A ist ein schematischer horizontaler Querschnitt durch ein SiC Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform mit einer sich über einen Zellenfeldbereich erstreckenden durchgehenden Zone zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 6B ist ein schematischer horizontaler Querschnitt durch ein SiC Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform mit einer Vielzahl von voneinander separierten und zu Halbleitergebieten vom Leitfähigkeitstyp von Bodygebieten ausgerichteten Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode.
    • 7 ist ein vereinfachtes Diagramm zur Illustration des Temperaturgangs der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode zur Erläuterung der Ausführungsformen.
    • 8A ist ein schematischer horizontaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit streifenartigen Feldeffekttransistorstrukturen gemäß einer Ausführungsform mit entlang einer Zellenlängsachse ausgebildeten und voneinander separierten schwächer dotierten Zonen vom Leitfähigkeitstyp der Bodygebiete.
    • 8B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch den Abschnitts des SiC Halbleiterbauelements nach 8A entlang der Querschnittslinie B-B'.
    • 9A ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit einer Zone zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode und einer durchgehenden Rekombinationszone nahe der Bauteilrückseite.
    • 9B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit einer Zone zur Reduktion der Emittereffizienz einer intrinsischen Bodydiode gemäß einer Ausführungsform mit Rekombinationszonen nahe der Bauteilrückseite und der Bauteilvorderseite.
    • 9C ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform mit Rekombinationszonen nahe der Bauteilrückseite und der Bauteilvorderseite.
    • 10A ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit pn Diodenstruktur, wobei die Zonen an ein Injektionsgebiet angrenzen.
    • 10B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit einer Zone zur Reduktion der Emittereffizienz gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit pn Diodenstruktur, wobei die Zone in einem Abstand zum Injektionsgebiet ausgebildet ist.
    • 11A ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit Zonen zur Reduktion der Emittereffizienz gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit MPS Diodenstruktur, wobei die Zonen an Injektionsgebiete angrenzt.
    • 11B ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch einen Abschnitt eines SiC Halbleiterbauelements mit einer Zone zur Reduktion der Emittereffizienz gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit MPS Diodenstruktur, wobei die Zone in einem Abstand zu Injektionsgebieten ausgebildet ist.
    • 12A ist ein schematisches Flussdiagram für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit einer Feldeffekttransistorstruktur.
    • 12B ist ein schematisches Flussdiagram für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform betreffend Halbleiterbauelemente mit feiner pn Diodenstruktur.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele eines Halbleiterbauelements und eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gezeigt sind. Die Existenz weiterer Ausführungsbeispiele versteht sich von selbst. Ebenso versteht es sich von selbst, dass an den Ausführungsbeispielen strukturelle und/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 Merkmale von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe und zeigen das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen 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 zur Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die zeitweise, in einem ersten Zustand, eine niederohmige Verbindung und, in einem zweiten Zustand, eine hochohmige elektrische Entkopplung vorsehen.
  • Die Figuren veranschaulichen durch die Zeichen von „-“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp „n“ oder „p“ relative Dotierungskonzentrationen. Beispielsweise deutet „n-“ auf eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsgebiets ist, während in einem „n+“-Dotierungsgebiet die Dotierungskonzentration höher ist als in einem „n“-Dotierungsgebiet. Dotierungsgebiete der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene „n“-Dotierungsgebiete die gleiche Dotierungskonzentration oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Der Begriff „Dotierstoffkonzentration“ bezeichnet eine Nettodotierstoffkonzentration, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
  • Der Ausdruck „elektrisch verbunden“ beschreibt eine niederohmige Verbindung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck „elektrisch gekoppelt“ schließt ein, dass ein oder mehrere dazwischen liegende und zur Signalübertragung geeignete Elemente zwischen den „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorhanden sein können, bspw. Elemente die so steuerbar sind, dass sie zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige Entkopplung in einem zweiten Zustand herstellen können.
  • Wird für eine physikalische Größe ein Wertebereich mit der Angabe eines Grenzwerts oder zweier Grenzwerte definiert, dann schließen die Präpositionen „von“ und „bis“ oder „weniger“ und „mehr“ den jeweiligen Grenzwert mit ein. Eine Angabe der Art „von ... bis“ versteht sich demnach als „von mindestens ... bis höchstens“. Entsprechend versteht sich eine Angabe der Art „weniger ...“ („mehr ...“) als „höchstens ...“ („wenigstens ...“) .
  • Die 1 zeigt ein Halbleiterbauelement 500, das beispielsweise ein IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate), zum Beispiel ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET), wobei die Abkürzung MOSFET sowohl FETs mit metallischer Gateelektrode als auch FETs mit Halbleiter-Gateelektroden umfasst, eine Halbleiterdiode, z.B. eine pn Diode oder eine MPS (merged pin Schottky)-Diode, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder eine MCD (MOS-gesteuerte Diode) sein kann.
  • Das Halbleiterbauelement 500 basiert auf einem mit Siliziumcarbid gebildeten Halbleiterkörper 100. Beispielsweise weist der Halbleiterkörper 100 einen Siliziumcarbidkristall auf oder besteht aus einem solchen, wobei der Siliziumcarbidkristall neben den Hauptbestandteilen Silizium und Kohlenstoff Dotieratome und/oder Verunreinigungen, z.B. Wasserstoff- und/oder Sauerstoffatome aufweisen kann. Der Polytyp des Siliziumcarbidkristalls kann beispielsweise 2H, 6H, 15R oder 4H sein.
  • Eine erste Oberfläche 101 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 ist planar oder gerippt. Eine Normale 104 auf eine planare erste Oberfläche 101 oder auf eine Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung. Richtungen parallel zu einer planaren ersten Oberfläche 101 oder zur Mittelebene einer gerippten ersten Oberfläche 101 sind horizontale und laterale Richtungen.
  • In dem SiC Halbleiterkörper 100 ist eine Feldeffekttransistorstruktur mit einer Gatestruktur 150 an einer ersten Oberfläche 101 des SiC Halbleiterkörpers 100 und einer Driftzone 131 von einem ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Zwischen einem Halbleitergebiet 120, 160 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und der Driftzone 131 kann in der vertikalen Richtung eine Zone 133 vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sein, die von der Gatestruktur 150 beabstandet und die von dem Halbleitergebiet 120, 160 in der vertikalen Richtung maximal 1 µm entfernt sein kann. Es ist möglich, dass die Zone 133 direkt an das Halbleitergebiet 120, 160 angrenzt.
  • Zum Beispiel weist die Feldeffekttransistorstruktur eine Transistorzelle TC auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 auf. Die Transistorzelle TC kann ein Sourcegebiet 110 vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen, das mit einem ersten Lastanschluss L1 des Halbleiterbauelements 500 elektrisch verbunden sein kann. Die Transistorzelle TC kann eine laterale Transistorzelle mit einer auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildeten planaren Gatestruktur 150 oder eine vertikale Transistorzelle mit einer in einem Graben ausgebildeten Gatestruktur 150 sein. Die Gatestruktur 150 kann eine Gateelektrode 155 aufweisen, die mit einem Gateanschluss G des Halbleiterbauelements 500 elektrisch verbunden ist.
  • Das zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Driftstruktur 130 ausgebildete Halbleitergebiet 120, 160 vom zweiten Leitfähigkeitstyp kann beispielsweise ein Bodygebiet 120 der Transistorzelle TC und/oder ein Diodengebiet 160 umfassen. Das Halbleitergebiet 120, 160 kann mit dem ersten Lastanschluss L1 verbunden sein. Beispielsweise kann sich das Halbleitergebiet 120, 160 bis zu einem Kontakt an der ersten Oberfläche erstrecken.
  • Die Driftzone 131 kann Teil einer Driftstruktur 130 sein, die zwischen der Transistorzelle TC und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 auf der Rückseite des SiC Halbleiterkörpers 100 ausgebildet ist. Die Driftstruktur 130 kann eine hochdotierte Kontaktschicht 139 aufweisen, die sich direkt entlang der zweiten Oberfläche 102 erstreckt. Die hochdotierte Kontaktschicht 139 ist mit einem zweiten Lastanschluss L2 des Halbleiterbauelements 500 elektrisch verbunden. Eine vertikale Ausdehnung der Kontaktschicht 139 kann mehr als 50µm betragen, z.B. mehr als 100µm. Die schwach dotierte Driftzone 131 ist zwischen den Transistorzellen TC und der hochdotierten Kontaktschicht 139 ausgebildet.
  • Erste pn-Übergänge pn1 zwischen den Halbleitergebieten 120, 160 und der Driftstruktur 130 bilden mindestens Abschnitte einer intrinsischen Bodydiode BD des Halbleiterbauelements 500.
  • Sperrt die intrinsische Bodydiode BD, dann steuert ein an den Gateanschluss G angelegtes Gate-Potential einen unipolaren Ladungsträgerfluss durch die Bodygebiete 120 der Transistorzellen TC. Ist die intrinsische Bodydiode BD in Flussrichtung gepolt, kann sich zwischen dem Halbleitergebiet 120, 160 und der Driftstruktur 130 ein bipolarer Ladungsträgerfluss aus Löchern und Elektronen einstellen, sofern der Transistorkanal komplett geschlossen ist und/oder der Strom in Flussrichtung einen Schwellwert überschreitet.
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen betreffen das Absenken der Emittereffizienz der intrinsischen Bodydiode BD auf Seite der Halbleitergebiete 120, 160, d.h., im Falle von p-dotierten Halbleitergebieten 120, 160, der Anodenemittereffizienz. Die Anodenemittereffizienz γAnode ist ein Maß für den Löcherstrom, der in die schwach dotierte Driftzone 131 injiziert wird. In die Anodenemittereffizienz γAnode gehen beispielsweise der Kontaktwiderstand eines Metall-Halbleiterübergangs zwischen dem ersten Lastanschluss L1 und dem Halbleitergebiet 120, 160 sowie Betrag und Verlauf der Dotierstoffkonzentrationen am pn-Übergang pn ein.
  • Die zwischen dem Halbleitergebiet 120, 160 und der Driftzone 131 ausgebildete Zone 133 vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 weist eine Dotierstoffkonzentration auf, die mindestens doppelt so hoch ist wie in an die Zone 133 angrenzenden Abschnitten der Driftzone 131. Beispielsweise ist eine maximale Dotierstoffkonzentration in der Zone 133 mindestens doppelt so hoch, z.B. fünfmal höher, als eine minimale Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131. Am Ort der maximalen Dotierstoffkonzentration kann die Zone 133 teilweise mit Dotierstoffen vom zweiten Leitfähigkeitstyp kompensiert sein. Die Dotierstoffdosis der Zone 133 kann in einem Bereich von 5% bis 20% der Durchbruchsladung von SiC liegen.
  • Die Zone 133 kann wenigstens teilweise mit mindestens einem Dotierstoff dotiert sein, der ein tiefes Energieniveau mit einem Abstand von wenigstens 150 meV zur nächstgelegenen Bandkante aufweist. Ein solcher Dotierstoff ist beispielsweise Phosphor, Chrom oder Iridium.
  • Die Zone 133 kann einen vertikalen und/oder lateralen Abstand zu der Gatestruktur 150 der Transistorzelle TC aufweisen, so dass ein unipolarer Ladungsträgerfluss, der im eingeschalteten Zustand der Transistorzelle TC durch das Bodygebiet 120 fließt, nicht unmittelbar in die Zone 133 eintritt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Zone 133 so ausgebildet, dass kein oder nur ein geringfügiger Anteil des Einschaltstroms der Transistorzelle TC durch die Zone 133 fließt. Gemäß einer anderen Ausführungsform passiert der Einschaltstrom der Transistorzelle TC zwischen dem Bodygebiet 120 und der Zone 133 eine Stromverteilungszone vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131, wobei die Stromverteilungszone unmittelbar an das Bodygebiet 120 anschließen oder auch von dieser beabstandet sein kann, den unipolaren Ladungsträgerfluss durch das Bodygebiet 120 aufnimmt und mindestens teilweise über die Zone 133 zur Driftzone 131 hin verteilt. Eine Dotierstoffkonzentration in der Stromverteilungszone ist dabei mindestens doppelt so hoch ist wie in der Driftzone 131, z.B. mindestens fünfmal so hoch.
  • Die Zone 133 kann unmittelbar an das dotierte Halbleitergebiet 120, 160 angrenzen oder von diesem beabstandet sein. Ein Abstand zwischen der Zone 133 und dem Halbleitergebiet 120, 160 kann beispielsweise für Bauelemente mit geringer nominaler Sperrfähigkeit bis zu 1 µm und für Bauelemente mit höherer nominaler Sperrfähigkeit auch bis zu 3 µm betragen. Das Halbleitergebiet 120, 160 kann sich bis zu einem an der ersten Oberfläche 101 des SiC Halbleiterkörpers 100 ausgebildeten elektrischen Kontakt erstrecken oder an einen in den SiC Halbleiterkörper 100 reichenden Grabenkontakt angrenzen.
  • Das Halbleitergebiet 120, 160 kann das Bodygebiet 120 oder ein Diodengebiet 160 sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration im Diodengebiet 160 kann mindestens doppelt so hoch wie im Bodygebiet 120 sein. Ferner ist es möglich, dass das Diodengebiet 160 direkt an das Bodygebiet 120 anschließt.
  • Die Zone 133 kann den Emitterwirkungsgrad deutlich reduzieren und damit auch die Löcherinjektion im Durchlassbetrieb der intrinsischen Bodydiode BD. Damit nimmt im Vorwärtsbetrieb der intrinsischen Bodydiode BD die Plasmaüberflutung des SiC Halbleiterkörpers 100 ab und innerhalb der Driftzone 131 rekombinieren deutlich weniger Ladungsträger. Damit reduzieren sich auch Stapelfehler, die sich ansonsten infolge lokaler Wärmeentwicklung, die auf die Rekombination von Ladungsträgern im SiC-Kristall zurückgeht, im SiC-Kristall ausbreiten. Ein Betrieb der Bodydiode BD bleibt kann demnach ohne Einfluss oder nahezu ohne Einfluss auf den Einschaltwiderstand RDSon des Halbleiterbauelements bleiben, der andernfalls durch die stetige Neubildung von Kristallfehlern im Betrieb des Halbleiterbauelements allmählich ansteigen und zu einer nicht akzeptablen Bauteildegradation führen kann.
  • Die intrinsische Bodydiode BD eines solchen Halbleiterbauelements 500 kann demnach beispielsweise eine externe Freilaufdiode ersetzen, ohne dass der Betrieb der intrinsischen Bodydiode BD einen negativen Effekt auf die Langzeitstabilität der Bauteileigenschaften hätte. Zusätzlich kann das durch die Zone 133 bewirkte Aufsteilen des elektrischen Feldes ein zuverlässigeres Pinnen des Avalanche-Durchbruchs innerhalb des Zellenfeldes zur Folge haben.
  • Eine auf die reduzierte Löcherinjektion zurückgehende mögliche geringfügige Erhöhung der Flussspannung der intrinsischen Bodydiode BD im Bereich von z.B. 1V bis 2V bleibt in Anwendungen unerheblich, in denen die intrinsische Bodydiode BD nur für vergleichsweise kurze Zeit pro Schaltzyklus im Durchlass betrieben wird. Eine solche Anwendung ist z.B. der Betrieb der intrinsischen Bodydiode BD als Freilaufdiode in einer Brückenschaltung, in der die Bodydiode BD nur während einer Totzeit beim Kommutieren der Brückenschaltung in Flussrichtung betrieben wird.
  • Eine vertikale Ausdehnung der Zone 133 ist relativ klein, beispielsweise zwischen 50 nm und 1 µm oder zwischen 200 nm und 500 nm, so dass der Einfluss der Zone 133 auf die Sperrfähigkeit das Halbleiterbauelement 500 gering bleiben kann. Die Dotierstoffdosis der Zone 133 kann 5% bis 20% der Durchbruchsladung des Materials des SiC Halbleiterkörpers 100 betragen, die typischerweise je nach Driftzonendotierung zwischen 1 und 2 × 1013 cm-2 liegt. Die gesamte Zone 133 oder zumindest ein vertikaler Abschnitt der Zone 133, z.B. im Bereich der maximalen Dotierstoffkonzentration, kann mit Dotierstoffen vom zweiten Leitfähigkeitstyp teilweise gegenkompensiert sein. Eine geeignete Dotierung in der Zone 133 kann das elektrische Feld lokal aufsteilen und „pinnen“ und so das Avalanche-Verhalten des Halbleiterbauelements 500 verbessern.
  • Gemäß einer Ausführungsform können die Dotierstoffe in der Zone 133 solche mit tiefem Energieniveau in der Bandlücke sein oder solche enthalten, beispielsweise Phosphor, Chrom und/oder Iridium. Die Anwesenheit eines Dotierstoffs mit tiefem Energieniveau kann zu einem ausgeprägten positiven Temperaturkoeffizienten der Flussspannung der Bodydiode führen, da die so dotierte Zone 133 bei Zimmertemperatur T0 auch im überschwemmten Zustand zunächst nur teilweise aktiviert ist und der Aktivierungsgrad mit zunehmender Temperatur signifikant ansteigen kann. Der positive Temperaturkoeffizient der Flussspannung wirkt dem Anstieg des Emitterwirkungsgrads sowie dem damit verknüpften Defektwachstum entgegen. Zudem bewirkt die Zone 133 ein Abflachen des Anstiegs des Einschaltwiderstands RDSon bei steigender Temperatur.
  • In einem die Zone 133 umfassenden Abschnitt des SiC Halbleiterkörpers 100 kann zudem die Ladungsträgerbeweglichkeit reduziert sein. Beispielsweise kann die Zone 133 oder ein die Zone 133 umfassender Abschnitt des SiC Halbleiterkörpers 100 eine Gegendotierung aufweisen, etwa Aluminium-, Bor- und/oder Galliumatome, die die eigentliche n-Dotierung teilweise kompensiert, weswegen andererseits die n-Dotierung angehoben werden muss, um die gleiche Nettodotierung zu erhalten.
  • Die 2A und 2B beziehen sich auf Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen 500 mit einem SiC Halbleiterkörper 100 und mit streifenartigen, in Gräben ausgebildeten Gatestrukturen 150. Zu Einzelheiten des SiC Halbleiterkörpers 100 wird auf die Beschreibung zu der 1 verwiesen.
  • Auf einer Vorderseite weist der SiC Halbleiterkörper 100 eine erste Oberfläche 101 auf, welche koplanare Oberflächenabschnitte umfassen kann. Die erste Oberfläche 101 kann mit einer Hauptkristallebene zusammenfallen oder unter einen Off-Axis-Winkel α schräg zu einer Hauptkristallebene verlaufen, wobei der Off-Axis-Winkels mindestens 2° und höchstens 12°, z.B. etwa 4°, betragen kann.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die <0001>-Kristallachse um einen Off-Axis-Winkel α zur Normalen 104 geneigt. Die <11-20>-Kristallachse ist um den gleichen Off-Axis-Winkel zur horizontalen Ebene geneigt. Die <1-100>-Kristallachse steht orthogonal zur Querschnittsebene.
  • Auf der Rückseite weist der SiC Halbleiterkörper 100 eine zur ersten Oberfläche 101 parallele zweite Oberfläche 102 auf. Ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 auf der Vorderseite und der zweiten Oberfläche 102 auf der Rückseite hängt vom nominalen Sperrvermögen des Halbleiterbauelements 500 ab.
  • Eine hochdotierte Kontaktschicht 139, die an die zweite Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 grenzt, kann ein von einem Einkristall abgetrennter Substratabschnitt sein oder einen solchen aufweisen. Die Kontaktschicht 139 bildet einen ohmschen Kontakt mit einer zweiten Lastelektrode 320, die direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzen kann. Entlang der zweiten Oberfläche 102 ist die Dotierstoffkonzentration der Kontaktschicht 139 ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Lastelektrode 320 auszubilden.
  • Ist das Halbleiterbauelement 500 ein MOSFET oder weist das Halbleiterbauelement 500 einen solchen auf, so hat die Kontaktschicht 139 den Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131. Ist das Halbleiterbauelement 500 ein IGBT, so hat die Kontaktschicht 139 den komplementären Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 oder weist Zonen beider Leitfähigkeitstypen auf.
  • 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 1014 cm-3 bis 5 × 1016 cm-3. Neben der Driftzone 131 und der Kontaktschicht 139 kann die Driftstruktur 130 weitere dotierte Gebiete aufweisen, zum Beispiel Feldstoppzonen, Sperr- und/oder Barrierenzonen und/oder Stromverteilungszonen des Leitfähigkeitstyps der Driftzone 131 und/oder inselartige Gebiete vom komplementären Leitfähigkeitstyp.
  • Die Driftzone 131 kann direkt an die Kontaktschicht 139 angrenzen. Gemäß einer Ausführungsform bildet die Driftzone 131 einen n-/n Übergang mit einer zwischen der Driftzone 131 und der Kontaktschicht 139 ausgebildeten Pufferschicht, wobei eine vertikale Ausdehnung der Pufferschicht mindestens 0.3µm und maximal 10µm, z.B. zwischen 0.5µm und 5µm, betragen kann und eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Pufferschicht in einem Bereich von 1017 cm-3 bis 3 × 1018 cm-3 oder in einem Bereich von 2 × 1017 cm-3 bis 1 × 1018 cm-3 liegen kann. Die Pufferschicht kann mechanische Spannung im SiC Halbleiterkörper 100 abbauen und/oder das elektrischen Feldes in der Driftstruktur 130 in einer vorbestimmten Weise beeinflussen.
  • Die Transistorzellen TC auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 sind entlang von Gatestrukturen 150 ausgebildet, die sich von der ersten Oberfläche 101 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstrecken, wobei Mesaabschnitte 190 des SiC Halbleiterkörpers 100 benachbarte Gatestrukturen 150 voneinander trennen.
  • Eine Längsausdehnung der Gatestrukturen 150 entlang einer ersten horizontalen Richtung ist größer als eine Weite der Gatestrukturen 150 entlang einer zweiten horizontalen Richtung 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, wobei die Länge der Gatestrukturen 150 bis zu mehreren 100 µm, beispielsweise bis zu mehreren Millimetern, betragen kann.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen 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 der gleichen Linie eine Vielzahl voneinander getrennter Gatestrukturen 150 ausgebildet sind. Die Gatestrukturen 150 können auch ein Gitter mit Mesaabschnitten 190 in den Maschen des Gitters bilden.
  • An der Unterseite können die Gatestrukturen 150, insbesondere an einem Übergang einer Seitenwand der Gatestruktur 150 zu einem Boden der Gatestruktur 150, gerundet sein. Beispielsweise beträgt ein Radius der Krümmung mindestens das Doppelte der Dicke eines im Folgenden beschriebenen Gatedielektrikums 151 in den Gatestrukturen 150.
  • Die Gatestrukturen 150 können gleichmäßig voneinander beabstandet sein, können die gleiche Breite aufweisen und können ein regelmäßiges Muster bilden, wobei ein Pitch (Mitte-zu-Mitte-Abstand) der Gatestrukturen 150 in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm, z.B. von 2 µm bis 5 µm, liegen kann. Eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150 kann in einem Bereich von 300 nm bis 3 µm, z.B. in einem Bereich von 500 nm bis 1 µm, liegen.
  • Seitenwände der Gatestrukturen 150 können vertikal zur ersten Oberfläche 101 ausgerichtet sein oder können leicht gegen die vertikale Richtung gekippt sein, wobei gegenüberliegende Seitenwände parallel zueinander oder aufeinander zu verlaufen können. Gemäß einer Ausführungsform nimmt die Weite der Gatestrukturen 150 mit zunehmender Distanz zur ersten Oberfläche 101 ab. Beispielsweise weicht die eine Seitenwand um etwa den Off-Axis Winkel α und die andere Seitenwand um -α von der Vertikalen ab.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen die Mesaabschnitte 190 zwei gegenüberliegende longitudinale Mesa-Seitenwände 191, 192 auf, die unmittelbar an zwei benachbarte Gatestrukturen 150 angrenzen. Mindestens eine erste Mesa-Seitenwand 191 liegt in einer Hauptkristallebene mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, z.B. in einer {11-20}-Kristallebene. Die der ersten Mesa-Seitenwand 191 gegenüberliegende zweite Mesa-Seitenwand 192 kann um das Doppelte des Off-Axis Winkels α, beispielsweise um etwa 8 Grad, zu der betreffenden Hauptkristallebene geneigt sein.
  • Eine leitfähige Gateelektrode 155 in den Gatestrukturen 150 kann eine hochdotierte polykristalline Siliziumschicht, eine ein-oder mehrteilige Metallstruktur oder beides aufweisen. Die Gateelektrode 155 kann mit einer Gate-Metallisierung 330 elektrisch verbunden sein, die einen Gateanschluss G ausbildet oder mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
  • Entlang mindestens einer Seite der Gatestruktur 150 trennt ein Gatedielektrikum 151 die Gateelektrode 155 vom SiC Halbleiterkörper 100. Das Gatedielektrikum 151 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 Siliziumoxinitrid, ein anderes abgeschiedenes dielektrisches Material oder eine beliebige Kombination aus den genannten Materialien aufweisen. Die Schichtdicke des Gatedielektrikums 151 kann so gewählt sein, dass eine Schwellenspannung der Transistorzellen TC in einem Bereich von 1V bis 8V oder zwischen 3V und 6V liegt.
  • Die Gatestrukturen 150 können ausschließlich die Gateelektrode 155 und das Gatedielektrikum 151 aufweisen oder können zusätzlich zur Gateelektrode 155 und zum Gatedielektrikum 151 weitere leitfähige und/oder dielektrische Strukturen, z.B. Kompensationsstrukturen, Feldplatten oder Trenndielektrika aufweisen.
  • In den Mesaabschnitten 190 sind zur Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 hin Sourcegebiete 110 ausgebildet, die direkt an die erste Oberfläche 101 und an beide Mesa-Seitenwände 191, 192 an den Längsseiten des jeweiligen Mesaabschnitts 190 angrenzen können. Dabei kann jeder Mesaabschnitt 190 ein Sourcegebiet 110 mit im SiC Halbleiterkörper 100 miteinander verbundenen Abschnitten oder mit mindestens zwei im SiC Halbleiterkörper 100 voneinander getrennten Abschnitten auf einander gegenüberliegenden Seiten des Mesaabschnitts 190 aufweisen, die über einen an den Mesaabschnitt 190 angrenzenden Kontakt oder Grabenkontakt niederohmig miteinander verbunden sind.
  • Die Mesaabschnitte 190 umfassen ferner Bodygebiete 120, die mindestens Abschnitte der Sourcegebiete 110 von der Driftstruktur 130 trennen, und erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 130 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcegebieten 110 bilden. Die Bodygebiete 120 grenzen unmittelbar an mindestens die erste Mesa-Seitenwand 191 an. Eine vertikale Ausdehnung der Bodygebiete 120 entspricht einer Kanallänge der Transistorzellen TC und kann in einem Bereich von 200 nm bis 2500 nm oder in einem Bereich von 400 nm bis 1000 nm liegen. Sowohl die Sourcegebiete 110 als auch die Bodygebiete 120 sind mit einer ersten Lastelektrode 310 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100 elektrisch verbunden.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1 bilden, welcher ein Anodenanschluss einer MCD, ein Sourceanschluss eines Power-MOSFETs, eines anderen IGFETs oder ein Emitteranschluss eines IGBTs sein kann, oder kann mit dem ersten Lastanschluss L1 elektrisch verbunden oder gekoppelt sein. Die zweite Lastelektrode 320 auf der Rückseite kann einen zweiten Lastanschluss L2 ausbilden, welcher ein Kathodenanschluss einer MCD, ein Drainanschluss eines Power-MOSFETs, eines anderen IGFETs oder ein Kollektoranschluss eines IGBTs sein kann, oder mit dem zweiten Lastanschluss L2 elektrisch verbunden oder gekoppelt sein.
  • Zwischen den Bodygebieten 120 und den zweiten Mesa-Seitenwänden 192 können Diodengebiete 160 ausgebildet sein, wobei eine maximale Dotierstoffkonzentration in den Diodengebieten 160 entlang der zweiten Mesa-Seitenwände 192 höher, z.B. mindestens zweimal oder sogar auch zehnmal höher, ist als eine Dotierstoffkonzentration in den Bodygebieten 120 entlang der ersten Mesa-Seitenwände 191.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die Transistorzellen TC n-Kanal-FET-Zellen mit p-dotierten Bodygebieten 120, 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 120, p-dotierten Sourcegebieten 110 und einer p-dotierten Driftzone 131.
  • Ein im eingeschalteten Zustand des Halbleiterbauelements 500 zwischen der ersten und der zweiten Lastelektrode 310, 320 durch den SiC Halbleiterkörper 100 fließender Laststrom passiert die Bodygebiete 120 als Ladungsträgerfluss in entlang des Gatedielektrikums 151 induzierten Inversionskanälen. Die im Vergleich zur Dotierstoffkonzentration in den Bodygebieten 120 höhere Dotierstoffkonzentration in den Diodengebieten 160 kann die Ausbildung von Inversionskanälen entlang der zweiten Mesa-Seitenwände 192 verhindern, das Gatedielektrikum 151 am Boden der Gatestrukturen 150 gegen Degradation schützen und/oder die Diodengebiete 160 niederohmig an die erste Lastelektrode 310 anschließen.
  • Die Diodengebiete 160 erstecken sich z.B. bis zu einem an der ersten Oberfläche 101 ausgebildeten Kontakt oder bis zu einem sich von der ersten Oberfläche 101 aus in den jeweiligen Mesaabschnitt 190 erstreckenden Grabenkontakt und sind mit der ersten Lastelektrode 310 elektrisch verbunden oder gekoppelt. Die Diodengebiete 160 können mit den Gatestrukturen 150 vertikal überlappen, wobei Abschnitte der Diodengebiete 160 in der vertikalen Projektion der Gatestrukturen 150 ausgebildet sind.
  • Eine Maximalkonzentration in den Diodengebieten 160 ist höher als eine Maximalkonzentration in den Bodygebieten 120.
  • In den Bodygebieten 120 kann die maximale Dotierstoffkonzentration dicht unterhalb der ersten Oberfläche 101 liegen. In den Diodengebieten 160 kann die Dotierstoffkonzentration neben einem absoluten (d.h., bezogen auf das jeweilige Diodengebiet 160, globalen) Maximum nahe der ersten Oberfläche 101 auch ein lokales Maximum im bezogen auf die erste Oberfläche 101 tiefstliegenden Bereich und unterhalb einer Unterkante der Gatestrukturen 150 aufweisen. Die Abschnitte der Diodengebiete 160 unterhalb der Gatestrukturen 150 können in einem Sperrzustand des Halbleiterbauelements 500 kritische Bereiche des Gatedielektrikums 151 gegen ein hohes elektrisches Feld am ersten pn Übergang pn1 abschirmen. Eine Distanz zwischen gegenüberliegenden Rändern benachbarter Diodengebiete 160 kann in einem Bereich von 300 nm bis 5 µm liegen, beispielsweise in einem Bereich von 500 nm bis 2 µm
  • Die Diodengebiete 160 bilden dritte pn-Übergänge pn3 mit der Driftstruktur 130. Die ersten und dritten pn-Übergänge pn1 und pn3 bilden Abschnitte einer intrinsischen Bodydiode.
  • Zwischen den Diodengebieten 160 und der Driftzone 131 sind Zonen 133 vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 ausgebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils unmittelbar an die Diodengebiete 160 angrenzen, gemäß anderer Ausführungsformen aber auch geringfügig, beispielsweise um weniger als 1 µm, von den Diodengebieten 160 beabstandet sein können. Eine horizontale Ausdehnung der Zonen 133 kann kleiner, gleich oder größer sein als die horizontale Ausdehnung der Diodengebiete 160. Eine vertikale Ausdehnung Δx der Zonen 133 kann mindestens etwa 50 nm und maximal etwa 1 µm betragen. Die Zonen 133 sind in diesem Ausführungsbeispiel vom Drain-seitigen Ende des Kanals sowohl lateral als auch vertikal beabstandet und reduzieren die Anodenemittereffizienz der intrinsischen Bodydiode im Bereich der dritten pn-Übergänge pn3.
  • Die 3A zeigt ein Halbleiterbauelement 500 mit planaren Gatestrukturen 150 auf der Vorderseite eines SiC Halbleiterkörpers 100, wobei eine einzelne Gatestruktur 150 zwei symmetrisch zur Gatestruktur 150 ausgebildeten Transistorzellen TC zugeordnet ist.
  • Die Gatestrukturen 150 umfassen jeweils eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151, das direkt auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet ist und die Gateelektrode 155 vom SiC Halbleiterkörper 100 trennt. Ein sich von einer ersten Oberfläche 101 aus in den SiC Halbleiterkörper 100 erstreckendes Bodygebiet 120 ist zwei benachbarten Transistorzellen TC zweier benachbarter Gatestrukturen 150 zugeordnet. Sourcegebiete 110 der zwei Transistorzellen TC erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 aus in das Bodygebiet 120, das ein Kontaktgebiet 128 aufweist. Das Kontaktgebiet 128 kann eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen als ein Hauptteil des Bodygebiets 120 außerhalb des Kontaktgebiets 128. Es ist zudem möglich, dass das Kontaktgebiet 128 zwischen den Sourcegebieten 110 an die erste Oberfläche 101 grenzt.
  • Eine Driftstruktur 130 mit einer Driftzone 131 und einer Kontaktschicht 139 trennt die Transistorzellen TC von einer zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100, wobei die Driftzone 131 zwischen benachbarten Bodygebieten 120 an die erste Oberfläche 101 reichen kann. Eine zweite Lastelektrode 320 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 an.
  • Im eingeschalteten Zustand bilden die Transistorzellen TC in Kanalbereichen der Bodygebiete 120 laterale Inversionskanäle entlang der ersten Oberfläche 101 zwischen den Sourcegebieten 110 und den an die erste Oberfläche 101 angrenzenden Abschnitte der Driftzone 131.
  • Ein Zwischenlagendielektrikum 210 trennt die Gateelektrode 155 von einer ersten Lastelektrode 310 auf der Vorderseite des SiC Halbleiterkörpers 100. Kontakte 315 in Öffnungen des Zwischenlagendielektrikums 210 verbinden die erste Lastelektrode 310 mit den Kontaktgebieten 128 und den Sourcegebieten 110.
  • Zwischen den Bodygebieten 120 und der Driftzone 131 sind Zonen 133 ausgebildet, die von den Gatestrukturen 150 und insbesondere von den Kanalenden der Transistorzellen TC mindestens vertikal beabstandet sind. Die Zonen 133 können unmittelbar an die Bodygebiete 120 angrenzen oder von diesen in vertikaler Richtung um maximal 1 µm beabstandet sein. Eine vertikale Ausdehnung Δx der Zonen 133 beträgt mindestens etwa 50nm und maximal etwa 1 µm.
  • Eine horizontale Ausdehnung der Zone 133 kann in etwa der horizontalen Ausdehnung der Bodygebiete 120 entsprechen oder größer oder kleiner sein. Gemäß einer Ausführungsform kann anstelle einer Mehrzahl von voneinander separierten Zonen 133 eine einzige, durchgehende Zone 133 ausgebildet sein, die sich in lateraler Richtung durchgehend über mehrere oder alle Transistorzellen TC eines Zellenfeldbereichs erstreckt.
  • In 3B sind die Gatestrukturen 150 in Gräben mit v-förmiger vertikaler Querschnittsfläche ausgebildet. Die Gateelektrode 155 erstreckt sich in annähernd gleichmäßiger Schichtdicke entlang der Seitenwände und des Bodens der Gräben. Mesaabschnitte 190 des SiC Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 umfassen entlang der ersten Oberfläche 101 ausgebildete Sourcegebiete 110 sowie Bodygebiete 120 zwischen den Sourcegebieten 110 und der Driftstruktur 130.
  • Zwischen den Bodygebieten 120 und der Driftzone 131 sind Zonen 133 vom Leitfähigkeitstyp der Sourcegebiete 110 ausgebildet, die von den Gatestrukturen 150 und den Kanalenden der Transistorzellen TC lateral beabstandet sind.
  • Das Halbleiterbauelement 500 der 3C weist sich von einer ersten Oberfläche 101 in einen SiC Halbleiterkörper 100 erstreckende Gatestrukturen 150 auf, wobei die Seitenwände der Gatestrukturen 150 vertikal zur ersten Oberfläche 101 verlaufen. In Mesaabschnitten 190 des SiC Halbleiterköpers 100 zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 sind Bodygebiete 120 ausgebildet, die erste pn-Übergänge pn1 mit einer Driftstruktur 130 und zweite pn-Übergänge pn2 mit entlang der ersten Oberfläche 101 ausgebildeten Sourcegebieten 110 bilden.
  • 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 100 seitlich und verbinden die Sourcegebiete 110 mit der ersten Lastelektrode 310. Eine vertikale Ausdehnung eines Abschnitts der Grabenkontakte im SiC Halbleiterkörper 100 kann in etwa der vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen 150 entsprechen.
  • Unterhalb der Grabenkontakte 316 sind Diodengebiete 160 ausgebildet, die lateral an die Bodygebiete 120 anschließen können und über ein höher dotiertes Diodenkontaktgebiet 169 an den Grabenkontakt 316 angeschlossen sind. Eine laterale Ausdehnung der Diodengebiete 160 kann größer sein als eine entsprechende laterale Ausdehnung der Grabenkontakte 316. Die Diodengebiete 160 bilden dotierte Halbleitergebiete vom Leitfähigkeitstyp der Bodygebiete 120, können sich entlang der Seitenwände der Grabenkontakte 316 bis zu den Sourcegebieten 110 erstrecken und bilden dritte pn Übergänge pn3 mit der Driftstruktur 130.
  • Zwischen den Diodengebieten 160 und der Driftzone 131 sind Zonen 133 vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 und mit einer Dotierstoffkonzentration, die mindestens doppelt so hoch ist wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131, ausgebildet. Die Zonen 133 sind sowohl vertikal als auch lateral von den Gatestrukturen 150 und den Kanalenden der Transistorzellen TC beabstandet.
  • In der 4 ist das Halbleiterbauelement 500 ein MOSFET basierend auf einem SiC Halbleiterkörper 100 mit in Gräben ausgebildeten Gatestrukturen 150 wie in den 2A bis 2B beschrieben, wobei die erste Lastelektrode 310 mit einem Source-Anschluss S und die zweite Lastelektrode 320 mit einem Drainanschluss D verbunden ist.
  • Ein Zwischenlagendielektrikum 210 aus einer oder mehreren Schichten über den Gatestrukturen 150 deckt die Gateelektrode 155 ab. Das Zwischenlagendielektrikum 210 kann beispielsweise eine Schicht aus thermischen Siliziumoxid, aus abgeschiedenem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder einem Glas, zum Beispiel BSG (boron silicate glass), PSG (phosphorus silicate glass), PBSG (boron phosphorus silicate glass), FSG (flourine silicate glass) oder einem spin-on glass umfassen oder aus einer solchen Schicht bestehen. Kontakte 315 erstrecken sich durch Öffnungen im Zwischenlagendielektrikum 210 und verbinden eine auf dem Zwischenlagendielektrikum 210 aufliegende erste Lastelektrode 310 mit den Sourcegebieten 110 und den Bodygebieten 120. Auf der Bauteilrückseite kontaktiert eine zweite Lastelektrode 320 die zweite Oberfläche 102 mit der Kontaktschicht 139.
  • Die Sourcegebiete 110 können entlang der aktiven Seitenwände der Grabenstrukturen 150 jeweils unmittelbar an die Grabenstruktur 150 anschließen und ausschließlich zwischen Bodygebiet 120 und der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein. Gemäß der dargestellten Ausführungsform umfassen die Sourcegebiete 110 neben einem ersten Abschnitt 111 entlang der aktiven Seitenwände noch einen oder mehrere zweite Abschnitte 112, die an inaktive Seitenwände der Grabenstrukturen 150 angrenzen und jeweils zwischen Diodengebiet 160 und erster Oberfläche 101 ausgebildet sind. Die zweiten Abschnitte 112 können im Halbleiterkörper 110 beispielsweise durch das Diodengebiet 160 und/oder das Bodygebiet 120 von den ersten Abschnitten 111 getrennt sein oder über weitere Abschnitte vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit den ersten Abschnitten 111 verbunden sein.
  • Die erste Lastelektrode 310, die zweite Lastelektrode 320 und/oder die Kontakte 315 können Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium und/oder Kupfer wie etwa AlSi, AlCu oder AlSiCu als Hauptbestandteil aufweisen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann mindestens eine der beiden Lastelektroden 310, 320 Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Vanadium (V), Silber (Ag), Gold (Au), Zinn (Sn), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) als Hauptbestandteil(e) enthalten. Mindestens einer der beiden Lastelektroden 310, 320 kann zwei oder mehr Teilschichten umfassen, wobei jede Teilschicht Ni, Ti, V, Ag, Au, W, Sn, Pt und/oder Pd als Hauptbestandteil (e) enthalten kann, z.B. ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung. Zum Beispiel können die Kontakte 315 eine Interfaceschicht 311 aus z.B. einem Metallsilizid und eine Hauptschicht 312 aus dem Material der ersten Lastelektrode 310 aufweisen, wobei die Interfaceschicht 311 an den SiC Halbleiterkörper 100 angrenzt und die Hauptschicht 312 vom SiC Halbleiterkörper 100 trennt.
  • Die Driftstruktur 130 weist zwischen den Bodygebieten 120 und der Driftzone 131 Stromverteilungszonen 137 vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 auf. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den Stromverteilungszonen 137 ist mindestens zweimal, beispielsweise mindestens zehnmal, so hoch wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131. Der reduzierte laterale ohmsche Widerstand in den Stromverteilungszonen 137 spreizt den Ladungsträgerfluss durch die Bodygebiete 120 entlang den horizontalen Richtungen auf, so dass sich auch für vergleichsweise niedrige Dotierstoffkonzentrationen in der Driftzone 131 eine weitgehend gleichmäßige Stromverteilung in der Driftzone 131 einstellt. Die Stromverteilungszonen 137 grenzen direkt an die Kanalenden der Transistorzellen TC an.
  • Die Zone 133 ist von den Gatestrukturen 150 und damit auch von den Kanalenden der Transistorzellen TC beabstandet. Eine vertikale Ausdehnung Δx der Zone 133 beträgt mindestens 50 nm und höchstens 1000 nm, beispielsweise mindestens 100 nm und höchstens 500 nm. Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration n2 in der Zone 133 ist höher als eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration n1 in der Stromverteilungszone 137 und höher als eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration n- in der Driftzone 131. Die Zone 133 kann unmittelbar an die Diodengebiete 160 angrenzen oder von den Diodengebieten 160 in vertikaler Richtung beabstandet sein, so dass ein erster vertikaler Abschnitt der Driftzone 131 die Zone 133 von den Diodengebieten 160 trennt.
  • Die Zone 133 erstreckt sich in lateraler Richtung durchgehend über mehrere benachbarte Transistorzellen TC, beispielsweise über alle Transistorzellen TC eines von einem Randabschlussbereich ohne Transistorzellen umschlossenen Zellenfeldbereichs.
  • In 5 umfassen die Diodengebiete 160 jeweils ein erstes Teilgebiet 161 mit einem Maximum der Dotierstoffkonzentration nahe der ersten Oberfläche 101 sowie ein zweites Teilgebiet 162 mit einem lokalen Maximum der Dotierstoffkonzentration in einem Bereich unterhalb der Gatestrukturen 150, wobei das erste Teilgebiet 161 das zweite Teilgebiet 162 von der ersten Oberfläche 101 trennt. Es ist möglich, dass die Dotierstoffkonzentration eines Diodengebiets 160 insgesamt ein lokales Maximum in dem zweiten Teilgebiet 162 aufweist und/oder ein globales Maximum (bezogen auf das jeweilige Diodengebiet 160) im ersten Teilgebiet 161 und zwischen dem lokalen Maximum und der ersten Oberfläche 101 aufweist.
  • Lateral grenzt das erste Teilgebiet 161 an das Sourcegebiet 110 und das Bodygebiet 120 im gleichen Mesaabschnitt 190 sowie an die inaktive Seitenwand der benachbarten Gatestruktur 150 an. Das erste Teilgebiet 161 kann sich zudem auch entlang eines Teils des Bodens der Gatestruktur 150 ausdehnen. Das zweite Teilgebiet 162 trennt das erste Teilgebiet 161 lateral und vertikal von der Driftstruktur 130.
  • Eine maximale Dotierstoffkonzentration p2 in den zweiten Teilgebieten 162 der Diodengebiete 160 ist niedriger als eine maximale Dotierstoffkonzentration p+ in den ersten Teilgebieten 161 und kann höher als in den Bodygebieten 120 sein. Die maximale Dotierstoffkonzentration p+ in den ersten Teilgebieten 161 kann mindestens das Doppelte, z.B. mindestens das Zehnfache der maximalen Dotierstoffkonzentration p2 in den zweiten Teilgebieten 162 betragen.
  • Die Zone 133 kann unmittelbar an die Unterkante der zweiten Teilgebiete 162 der Diodengebiete 160 angrenzen und sich dabei in lateraler Richtung über mehrere Transistorzellen TC erstrecken, beispielsweise über alle Transistorzellen TC eines Zellenfeldbereichs. Zwischen der Zone 133 und der Driftzone 131 kann die Driftstruktur 130 eine Stromverteilungsschicht 1371 mit einer Dotierstoffkonzentration aufweisen, die etwa gleich hoch sein kann wie in den Stromverteilungszone 137.
  • Die 6A und 6B zeigen horizontale Querschnitte durch die SiC Halbleiterkörper 100 von zwei Halbleiterbauelementen 500 jeweils in einer ersten horizontalen Ebene, die die Gatestrukturen 150 schneidet, und in einer zweiten horizontalen Ebene, die die Zone(n) 133 schneidet.
  • Die Halbleiterbauelemente 500 weisen jeweils einen Zellenfeldbereich 610 und einen Randabschlussbereich 690 auf, der den Zellenfeldbereich 610 teilweise oder vollständig einschließt und von einer Seitenfläche 103 des SiC Halbleiterkörpers 100 trennt, die die erste und die zweite Oberfläche 101, 102 verbindet. Alle funktionalen Transistorzellen TC des Halbleiterbauelements 500 sind jeweils innerhalb des Zellenfeldbereichs 610 ausgebildet. Im Randabschlussbereich 690 fehlen funktionale Transistorzellen TC. Im Randabschlussbereich 690 kann eine Randabschlussstruktur ausgebildet sein, die ein elektrisches Feld lateral abbaut.
  • Die 6A zeigt eine Zone 133, die sich mindestens über einen Großteil des Zellenfeldbereichs 610 erstreckt. Die Zone 133 kann sich auf allen vier Seiten des Zellenfeldbereichs 610 in einen inneren Teilbereich des Randabschlussbereichs 690 hinein erstrecken oder kann im Randabschlussbereich 690 vollständig fehlen. Damit kann eine ggf. auf die Zone 133 zurückzuführende Einbuße an eindimensionaler Sperrfähigkeit im Zellenfeldbereich 610 kleiner sein als eine durch den Randabschluss bedingte Einbuße an Sperrfähigkeit.
  • Die 6B zeigt ein Halbleiterbauelement 500 mit streifenartigen Transistorzellen TC, die entlang streifenartiger, in Gräben angeordneter Gatestrukturen 150 ausgebildet sind. Das Halbleiterbauelement 500 umfasst eine Mehrzahl voneinander getrennter Zonen 133, die im Wesentlichen parallel zueinander und teilweise mit den Gatestrukturen 150 überlappend ausgebildet sind, wobei die Zonen 133 entsprechend dem Muster der Transistorzellen TC strukturiert sind.
  • In 7 zeigt die Kennlinie 703 den Anstieg der Durchlassspannung UFD mit steigender Temperatur für ein Halbleiterbauelement mit einer durchgehenden Zone 133 und mit Diodengebieten 160 entsprechend 5, wobei die Dotierstoffe in der Zone 133 solche mit tiefem Energieniveau in der Bandlücke umfassen, beispielsweise Phosphor, Chrom und/oder Iridium. Zwischen benachbarten Diodengebieten 160 erniedrigen die Dotierstoffe mit tiefem Energieniveau bei steigender Temperatur die Emittereffizienz, so dass der Temperaturanstieg der Durchlassspannung UFD flacher ausfällt als bei einem hypothetischen, ansonsten gleichen Referenzbauelement ohne Zone, für das die Kennlinie 702 den steileren Anstieg der Durchlassspannung UFD mit steigender Temperatur zeigt.
  • Im Halbleiterbauelement 500 der 8A und 8B weist das Diodengebiet 160 entlang einer Längsrichtung der Gatestrukturen 150 alternierend angeordnete Abschnitte 1611, 1612 unterschiedlich hoher Dotierstoffkonzentration auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das erste Teilgebiet 161 des Diodengebiets 160 einen hoch dotierten ersten Abschnitt 1611 auf, der einen zusammenhängenden unteren Teilabschnitt und eine Vielzahl von oberen Teilabschnitten aufweist, die sich entlang der Längsachse der Mesaabschnitte 190 mit schwach dotierten zweiten Abschnitten 1612 abwechseln. Damit weisen zumindest die ersten Teilgebiete 161 der Diodengebiete 160 nur vergleichsweise schmale Bereiche mit vergleichsweise hoher p-Dotierung auf, die in Folge ihrer geringen lateralen Ausdehnung nur im Stoßstromfall aktiviert werden und die Stromstoßfestigkeit der intrinsischen Bodydiode verbessern. Die schwach dotierten zweiten Abschnitte 1612 können sich bis zum Boden der ersten Teilgebiete 161 der Diodengebiete 160 erstrecken. Alternativ kann die Dotierstoffkonzentration in den zweiten Teilgebieten 162 entlang der Längsrichtung der Gatestrukturen 150 variieren.
  • Eine Längsausdehnung 11 der hoch dotierten ersten Abschnitte 1611 entlang der Längsrichtung der Gatestrukturen 150 kann etwa 100 nm bis 1000 nm oder etwa 200 nm bis 500 nm betragen. Eine Längsausdehnung 12 der schwach dotierten zweiten Abschnitte 1612 entlang der Längsrichtung der Gatestrukturen 150 beträgt mindestens 500 nm und höchstens 5000 nm.
  • Die 9A zeigt ein Halbleiterbauelement 500 mit einer Rekombinationszone 135, die zwischen der Zone 133 und der zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 ausgebildet ist. In der Rekombinationszone 135 ist die Dichte an Rekombinationszentren größer als in Abschnitten des SiC Halbleiterkörpers 100 außerhalb der Rekombinationszone 135. Beispielsweise ist innerhalb der Rekombinationszone 135 die Rekombinationsrate mindestens doppelt so hoch wie außerhalb der Rekombinationszone 135. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Rekombinationsrate in der Rekombinationszone 135 mindestens das Zehnfache der Rekombinationsrate in einem Abschnitt der Driftzone 131 außerhalb der Rekombinationszone 135. Die Rekombinationszentren umfassen Kristallgitterfehlstellen, Schwermetallatome, oder beides. Die Rekombinationszone 135 kann so ausgebildet sein, dass eine im Betrieb des Halbleiterbauelements 500 innerhalb der Absolutgrenzdaten (Engl.: absolute maximum ratings) ausgebildete Raumladungszone die Rekombinationszone 135 nicht berührt oder überlappt. Beispielsweise kann der Rekombinationszone 135 zur ersten Oberfläche 101 hin mindestens ein Abschnitt einer Feldstopp/Bufferschicht 138 vorgelagert sein.
  • Beispielsweise geht die Rekombinationszone 135 aus der Implantation von Wasserstoff, Helium und/oder schwereren Ionen, z.B. Argon, Germanium, Silizium und/oder Kohlenstoff hervor, wobei die Implantation Gitterfehler im Kristall des SiC Halbleiterkörpers 100 erzeugt, die in folgenden Wärmebehandlungen nicht vollständig ausgeheilt werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen die Rekombinationszentren in der Rekombinationszone 135 näherungsweise ortsfeste Schwermetall-Ionen, die in Siliziumkarbid extrem langsam diffundieren. Die Rekombinationszentren können aus einem einzigen Schwermetall oder aus mindestens zwei unterschiedlichen Schwermetallen vorgesehen sein. Geeignete Schwermetalle sind beispielsweise Molybdän, Wolfram, Platin, Vanadium und Gold.
  • Die Rekombinationszone 135 kann eine durchgehende horizontale Schicht bilden oder kann strukturiert sein. Beispielsweise kann die Rekombinationszone 135 in einem Randabschlussbereich fehlen oder ausschließlich oder überwiegend im Randabschlussbereich ausgebildet sein.
  • Eine vertikale Ausdehnung der Rekombinationszone 135 beträgt mindestens 10 nm, beispielsweise mindestens 50 nm und höchstens 1 µm, beispielsweise maximal 500 nm. Sofern Ladungsträger im Bereich der Rekombinationszone 135 rekombinieren, erfolgt die Rekombination an den punktförmigen Rekombinationszentren.
  • Durch die Verlagerung mindestens eines Großteils der Rekombinationsereignisse von den Kristallstapelfehlern weg und hin zu den punktförmigen Rekombinationszentren wird das Wachstum von Kristallstapelfehlern im Zellenfeldbereich deutlich reduziert.
  • Die Rekombinationszone 135 ist zwischen der Zone 133 und der zweiten Oberfläche 102 ausgebildet, beispielsweise innerhalb der Driftzone 131. Die Rekombinationszone 135 kann mindestens teilweise eine Feldstopp/Bufferschicht 138 überlappen oder auch vollständig innerhalb dieser implementiert sein, wobei die Feldstopp/Bufferschicht 138 zwischen der Driftzone 131 und der Kontaktschicht 139 ausgebildet ist. Die Feldstopp/Bufferschicht 138 kann vom Leitfähigkeitstyp der Driftzone 131 sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Feldstopp/Bufferschicht 138 ist höher als in der Driftzone 131 und niedriger als in der Kontaktschicht 139.
  • Die 9B betrifft ein Halbleiterbauelement 500 mit einer zusätzlichen, weiteren Rekombinationszone 132, die zwischen dem Bodygebiet 120 und der Rekombinationszone 135 ausgebildet und von der Rekombinationszone 135 beabstandet ist. Die weitere Rekombinationszone 132 kann nahe der Zone 133 ausgebildet sein, an die Zone 133 angrenzen oder mit der Zone 133 überlappen. In der weiteren Rekombinationszone 132 ist die Dichte an Rekombinationszentren größer als in Abschnitten des SiC Halbleiterkörpers 100 außerhalb der Rekombinationszonen 135, 132. Beispielsweise ist innerhalb der weiteren Rekombinationszone 132 die Rekombinationsrate mindestens doppelt so hoch wie außerhalb der Rekombinationszonen 135, 132. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Rekombinationsrate in der weiteren Rekombinationszone 132 mindestens das Zehnfache der Rekombinationsrate in einem Abschnitt der Driftzone 131 außerhalb der Rekombinationszonen 132, 135. Die Rekombinationszentren umfassen Kristallgitterfehlstellen, Schwermetallatome, oder beides.
  • Die Rekombinationszonen 135, 132 können so ausgebildet sein, dass eine im Betrieb des Halbleiterbauelements 500 innerhalb der Absolutgrenzdaten ausgebildete Raumladungszone keine der Rekombinationszonen 135, 132 berührt oder überlappt.
  • Eine vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 beträgt je nach der gewünschten Sperrfähigkeit der Bauelemente mindestens 3 µm oder mindestens 8 µm und eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131 beträgt maximal 5 × 1016 cm-3. Ein Abstand Δv zwischen der Rekombinationszone 135 und der weiteren Rekombinationszone 132 kann mindestens die Hälfte oder sogar 80% einer vertikalen Ausdehnung Δw der Driftzone 131 betragen.
  • Das Halbleiterbauelement 500 der 9C unterscheidet sich von dem der 9B durch die fehlende Zone 133.
  • Die in den 10A und 10B gezeigten Halbleiterbauelemente 500 weisen jeweils eine pn Diodenstruktur auf, die in einem SiC Halbleiterkörper 100 ausgebildet ist. Die Halbleiterbauelemente 500 sind beispielsweise pn Dioden oder solche Halbleiterbauelemente, die neben einer pn Diode noch weitere Halbleiterelemente, z.B. Transistoren, aufweisen.
  • Die SiC Halbleiterkörper 100 weisen jeweils eine Driftstruktur 130 mit einer Driftzone 131 von einem ersten Leitfähigkeitstyp auf, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131 mindestens 5 × 1014 cm-3 und maximal 5 × 1016 cm-3 beträgt. Eine vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 beträgt je nach der gewünschten Sperrfähigkeit der Bauelemente mindestens 3 µm oder mindestens 8 µm.
  • Zwischen der Driftstruktur 130 und einer ersten Oberfläche 101 ist im SiC Halbleiterkörpers 100 ein Injektionsgebiet 125 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet, das an eine erste Oberfläche 101 des SiC Halbleiterkörpers 100 angrenzt. Eine Kontaktstruktur 340 an der ersten Oberfläche 101 kontaktiert das Injektionsgebiet 125 elektrisch. Die Kontaktstruktur 340 bildet einen Anodenanschluss A oder ist mit einem Anodenanschluss A elektrisch verbunden.
  • Zwischen der Driftzone 131 und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 weist die Driftstruktur 130 eine hochdotierte Kontaktschicht 139 auf. Eine Rückseitenkontaktstruktur 350 bildet einen ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 139. Die Rückseitenkontaktstruktur 350 kann einen Kathodenanschluss K des Halbleiterbauelements 500 bilden oder mit einem Kathodenanschluss K elektrisch verbunden sein.
  • Zwischen dem Injektionsgebiet 125 und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 ist eine Zone 133 vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet, die von der Kontaktstruktur 340 elektrisch getrennt ist.
  • Im Halbleiterbauelement 500 der 10A grenzt die Zone 133 direkt an das Injektionsgebiet 125 vom zweiten Leitfähigkeitstyp an und ist in horizontaler Richtung strukturiert.
  • Die 10B zeigt dagegen ein Halbleiterbauelement 500 mit einer durchgehenden Zone 133, die vom Injektionsgebiet 125 beabstandet ist, wobei ein Abstand Δz zwischen dem Injektionsgebiet 125 und der Zone 133 maximal 2 µm, z.B. maximal 1 µm beträgt.
  • Zu weiteren Einzelheiten und Ausführungsformen des SiC Halbleiterkörpers 100 und der Zone 133 wird auf die oben beschriebenen Halbleiterbauelemente 500 verwiesen. Zum Beispiel können die Halbleiterbauelemente 500 nach 10A und 10B zwischen der Zone 133 und der zweiten Oberfläche 102 mindestens eine Rekombinationszone 135 aufweisen.
  • Die Halbleiterbauelemente 500 der 11A und 11B weisen jeweils eine MPS (merged pin Schottky) Diodenstruktur auf, die überwiegend in einem SiC Halbleiterkörper 100 ausgebildet ist.
  • Die SiC Halbleiterkörper 100 weisen jeweils eine Driftstruktur 130 mit einer Driftzone 131 von einem ersten Leitfähigkeitstyp auf, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 131 mindestens 1015 cm-3 beträgt. Eine vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 beträgt je nach der gewünschten Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements 500 mindestens 1 µm oder mindestens 3 µm oder mindestens 8 µm. Es ist möglich, dass die vertikale Ausdehnung der Driftzone 131 höchstens 40 µm oder höchstens 20 µm beträgt.
  • Zwischen der Driftstruktur 130 und einer ersten Oberfläche 101 sind im SiC Halbleiterkörpers 100 jeweils eine Vielzahl von Injektionsgebieten 125 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet, die an eine erste Oberfläche 101 des SiC Halbleiterkörpers 100 angrenzen. Eine Kontaktstruktur 340 an der ersten Oberfläche 101 kontaktiert elektrisch sowohl die Injektionsgebiete 125 als auch Abschnitte der Driftzone 131, die zwischen den Injektionsgebieten 125 an die erste Oberfläche 101 angrenzen, wobei die Kontaktstruktur 340 einen Schottky-Kontakt SC mit der Driftzone 131 ausbildet. Die Kontaktstruktur 340 bildet einen Anodenanschluss A des Halbleiterbauelements 500 oder ist mit einem Anodenanschluss A elektrisch verbunden.
  • Zwischen der Driftzone 131 und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 weist die Driftstruktur 130 eine hochdotierte Kontaktschicht 139 auf. Eine Rückseitenkontaktstruktur 350 bildet einen ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 139. Die Rückseitenkontaktstruktur 350 kann einen Kathodenanschluss K des Halbleiterbauelements 500 bilden oder mit einem Kathodenanschluss K elektrisch verbunden sein.
  • Zwischen dem Injektionsgebiet 125 und einer der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 des SiC Halbleiterkörpers 100 ist mindestens eine Zone 133 vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet, die von der Kontaktstruktur 340 elektrisch getrennt ist.
  • Das Halbleiterbauelement 500 der 11A weist eine Vielzahl von Zonen 133 auf, die jeweils direkt an eines der Injektionsgebiete 125 angrenzen, wobei eine laterale Ausdehnung der Zonen 133 in etwa der lateralen Ausdehnung der Injektionsgebiete 125 entsprechen kann.
  • Die 11B zeigt dagegen ein Halbleiterbauelement 500 mit einer durchgehenden Zone 133, die von den Injektionsgebieten 125 beabstandet ist, wobei ein vertikaler Abstand Δz zwischen den Injektionsgebieten 125 und den Zonen 133 jeweils maximal 1µm beträgt.
  • Die 12A bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 500 mit einer Feldeffekttransistorstruktur mit Transistorzellen TC wie es z.B. in den 2A und 2B dargestellt ist.
  • Auf ein Halbleitersubstrat, das eine Vorstufe eines Halbleiterkörpers 100 umfasst, wie er z.B. in den 2A und 2B gezeigt ist, wird eine Maskenschicht aufgebracht und durch ein photolithographisches Verfahren strukturiert, wobei aus der Maskenschicht eine Implantationsmaske mit Maskenöffnungen hervorgeht. Ein „Halbleitersubstrat“ kann hierbei und im Folgenden einen Wafer und/oder einen epitaktisch aufgewachsenen Siliziumcarbid-Halbleiterkörper umfassen.
  • Durch die Maskenöffnungen werden mittels Ionenimplantation Dotierstoffe eingebracht (902), die die dotierten Halbleitergebiete definieren. Zusätzlich werden durch die Maskenöffnungen mittels Ionenimplantation Dotierstoffe eingebracht (904), die die Zonen definieren. Die Dotierstoffe, die die Zonen definieren, können vor und/oder nach den Dotierstoffen, die die Halbleitergebiete definieren, eingebracht werden.
  • Die 12B bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 500 mit einer MPS Diodenstruktur wie es in der 11A dargestellt ist.
  • Auf ein Halbleitersubstrat, das eine Vorstufe des Halbleiterbauelements 500 umfasst, wie es in der 11A dargestellt ist, wird eine Maskenschicht aufgebracht und durch ein photolithographisches Verfahren strukturiert, wobei aus der Maskenschicht eine Implantationsmaske mit Maskenöffnungen hervorgeht.
  • Durch die Maskenöffnungen werden mittels Ionenimplantation Dotierstoffe eingebracht (912), die die Injektionsgebiete definieren. Davor oder danach werden mittels Ionenimplantation Dotierstoffe eingebracht (914), die die Zonen definieren.

Claims (28)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Feldeffekttransistorstruktur in einem SiC Halbleiterkörper (100) mit einer Gatestruktur (150) an einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) und einer Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; ein Halbleitergebiet (120, 160) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp; eine Zone (133) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Halbleitergebiet (120, 160) und der Driftzone (131) ausgebildet ist, wobei die Zone (133) von der Gatestruktur beabstandet ist und von dem Halbleitergebiet (120, 160) in der vertikalen Richtung maximal 1 µm entfernt ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei sich das Halbleitergebiet (120, 160) vom zweiten Leitfähigkeitstyp bis zu einem Kontakt (315, 316) an der ersten Oberfläche (101) erstreckt.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gatestruktur (150) eine planare Gatestruktur ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Gatestruktur (150) in einem Graben angeordnet ist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbleitergebiet (120, 160) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein Bodygebiet (120) ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei das Halbleitergebiet (120, 160) vom zweiten Leitfähigkeitstyp sich bis unterhalb eines Bodens des Grabens erstreckt und an eine zweite Seitenwand des Grabens angrenzt, die einer ersten Seitenwand, an die ein Bodygebiet (120) angrenzt, gegenüberliegt.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 6, wobei eine Dotierstoffkonzentration des Halbleitergebiets (120, 160) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein lokales Maximum in einem Bereich unterhalb der Gatestrukturen (150) und ein Maximum zwischen dem lokalen Maximum und der ersten Oberfläche (101) aufweist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei das Halbleitergebiet (120, 160) vom zweiten Leitfähigkeitstyp entlang einer Längsrichtung des Grabens alternierend angeordnete Abschnitte (1611, 1612) unterschiedlich hoher Dotierstoffkonzentration aufweist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, das weiter aufweist: eine zwischen der Driftzone (131) und dem Bodygebiet (120) angeordnete Stromverteilungszone (137), die höher als die Driftzone (131) dotiert ist und an die Gatestruktur (150) grenzt.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei das Halbleiterbauelement (500) ein vertikales Halbleiterbauelement ist mit an gegenüberliegenden Oberflächen (101, 102) des SiC Halbleiterkörpers (100) ausgebildeten Lastanschlüssen, die Feldeffekttransistorstruktur einen eine Vielzahl von Transistorzellen (TC) aufweisenden Zellenfeldbereich (610) und einen den Zellenfeldbereich (610) wenigstens teilweise umgebenden Randabschlussbereich (690) aufweist, und die Zone (133) im Zellenfeldbereich (610) durchgängig ausgebildet ist oder entsprechend einem Muster der Anordnung der Transistorzellen (TC) strukturiert ist.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei die Zone (133) im Randabschlussbereich (690) fehlt oder strukturiert ausgebildet ist.
  12. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Merged PiN Schottky, MPS, Diodenstruktur in einem SiC Halbleiterkörper (100) mit einer Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; ein Injektionsgebiet (125) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das an eine erste Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) angrenzt; eine Kontaktstruktur (340) an der ersten Oberfläche (101), wobei die Kontaktstruktur (340) mit der Driftzone (131) einen Schottky-Kontakt (SC) bildet und das Injektionsgebiet (125) elektrisch kontaktiert; und eine Zone (133) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die zwischen dem Injektionsgebiet (125) und einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) des SiC Halbleiterkörpers (100) ausgebildet ist, wobei die Zone (133) von dem Injektionsgebiet (125) vom zweiten Leitfähigkeitstyp maximal 1µm entfernt ist.
  13. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine pn Diodenstruktur in einem SiC Halbleiterkörper (100) mit einer Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; ein Injektionsgebiet (125) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, das an eine erste Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) angrenzt; eine Kontaktstruktur (340) an der ersten Oberfläche (101), wobei die Kontaktstruktur (340) das Injektionsgebiet (125) elektrisch kontaktiert; eine Zone (133) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die zwischen dem Injektionsgebiet (125) und einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) des SiC Halbleiterkörpers (100) ausgebildet ist, wobei die Zone (133) von der Kontaktstruktur (340) an der ersten Oberfläche (101) elektrisch getrennt ist und von dem Injektionsgebiet (125) vom zweiten Leitfähigkeitstyp maximal 1µm entfernt ist.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zone (133) höher dotiert ist als die Driftzone (131), und eine maximale Dotierstoffkonzentration in der Zone (133) um wenigstens einen Faktor 2 größer ist als die minimale Dotierstoffkonzentration in der Driftzone.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine vertikale Ausdehnung (Δx) der Zone (133) in einem Bereich von 50 nm bis 1000 nm liegt.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dotierstoffdosis der Zone (133) in einem Bereich von 5% bis 20% der Durchbruchsladung von SiC liegt.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zone (133) am Ort der maximalen Dotierstoffkonzentration teilweise mit Dotierstoffen vom zweiten Leitfähigkeitstyp kompensiert ist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zone (133) wenigstens teilweise mit einem Dotierstoff dotiert ist, der ein tiefes Energieniveau mit einem Abstand von wenigstens 150 meV zur nächstgelegenen Bandkante aufweist.
  19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, wobei der Dotierstoff wenigstens einem der Dotierstoffe Phosphor, Chrom und Iridium entspricht.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das zudem aufweist: mindestens eine zwischen der Zone (133) und einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) ausgebildeten Rekombinationszone (135) mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen.
  21. Halbleiterbauelement nach Anspruch 20, das zudem aufweist: eine zwischen der ersten Oberfläche (101) und der Rekombinationszone (135) ausgebildete und von der Rekombinationszone (135) beabstandete weitere Rekombinationszone (132) mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen.
  22. Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelements nach Anspruch 6, wobei das Halbleitergebiet (120, 160) und die Zone (133) jeweils durch Ionenimplantation hergestellt werden und die Ionenimplantationen über eine gemeinsame Implantationsmaske erfolgen.
  23. Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelements nach Anspruch 12, wobei das Injektionsgebiet (125) und die Zone (133) jeweils durch Ionenimplantation hergestellt werden und die Ionenimplantationen über eine gemeinsame Implantationsmaske erfolgen.
  24. Halbleiterbauelement, das aufweist: einen SiC Halbleiterkörper (100) mit einer Driftzone (131) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; ein dotiertes Gebiet (120, 125) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen einer ersten Oberfläche (101) des SiC Halbleiterkörpers (100) und der Driftzone (131); eine zwischen dem dotierten Gebiet (120, 125) und einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) ausgebildete Rekombinationszone (135) mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen; und eine von der Rekombinationszone (135) beabstandete weitere Rekombinationszone (132) mit Rekombinationszentren aus Gitterfehlern und/oder Schwermetallatomen, die zwischen dem dotierten Gebiet (120, 125) und der Rekombinationszone (135) oder im dotierten Gebiet (120, 125) ausgebildet ist und in einem Abstand von maximal 1µm zur Driftzone (131) ausgebildet ist.
  25. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, wobei der SiC Halbleiterkörper (100) eine Feldeffekttransistorstruktur aufweist und das dotierte Gebiet (120, 125) ein Bodygebiet (120) einer Transistorzelle (TC) der Feldeffekttransistorstruktur ist.
  26. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, wobei der SiC Halbleiterkörper (100) eine pn Diodenstruktur oder eine Merged-PIN-Schottky Diodenstruktur aufweist und das dotierte Gebiet (120, 125) ein Injektionsgebiet (125) der Diodenstruktur ist.
  27. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei eine vertikale Ausdehnung der Driftzone (131) mindestens 3 µm und eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone (131) maximal 5 × 1016 cm-3 beträgt.
  28. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei ein Abstand (Δv) zwischen der Rekombinationszone (135) und der weiteren Rekombinationszone (132) mindestens die Hälfte einer vertikalen Ausdehnung der Driftzone (131) beträgt.
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