DE102018216855A1 - Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung - Google Patents

Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat und eine erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps; eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps; eine erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps; eine Gate-Elektrode, die gegenüber mindestens einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über einen Gate-Isolierfilm bereitgestellt wird; und eine erste Elektrode, die auf den Oberflächen der ersten Halbleiterregion und der zweiten Halbleiterschicht bereitgestellt wird. Es werden Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats implantiert, die mindestens 2 µm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt; und in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht, die mindestens 3 µm von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt. Die Protonen weisen eine Konzentration in einem Bereich von 1×10/cmbis 1×10/cmauf.

Description

  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Silizium (Si) wird als Material für Leistungshalbleitervorrichtungen verwendet, die Hochspannung und/oder Starkstrom regeln. Es gibt mehrere Arten von Leistungshalbleitervorrichtungen, wie etwa Bipolartransistoren, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Diese Vorrichtungen werden je nach dem beabsichtigten Zweck selektiv verwendet.
  • Beispielsweise weisen Bipolartransistoren und IGBTs im Vergleich zu MOSFETs eine hohe Stromdichte auf und können für Starkstrom angepasst werden, können aber nicht auf hohen Geschwindigkeiten geschaltet werden. Insbesondere liegt die Grenze der Schaltfrequenz bei ungefähr mehreren kHz für Bipolartransistoren und ungefähr mehreren Dutzend kHz für IGBTs. Andererseits weisen Leistungs-MOSFETs im Vergleich zu Bipolartransistoren und IGBTs eine geringe Stromdichte auf und sind schwer für Starkstrom anzupassen, können aber mit hohen Geschwindigkeiten bis zu ungefähr mehreren MHz geschaltet werden.
  • Es besteht auf dem Markt eine hohe Nachfrage für eine schnelle Starkstrom-Leistungs-Halbleitervorrichtung. Somit wurden IGBTs und Leistungs-MOSFETs intensiv entwickelt und verbessert, und die Leistung von Leistungsvorrichtungen hat im Wesentlichen die theoretische Grenze erreicht, die durch das Material bestimmt wird. Im Hinblick auf Leistungshalbleitervorrichtungen wurden Halbleitermaterialien, um Silizium zu ersetzen, untersucht, und man hat sich auf Siliziumcarbid (SiC) als Halbleitermaterial konzentriert, das die Fertigung (Herstellung) einer Leistungshalbleitervorrichtung der nächsten Generation mit geringer Einschaltspannung, Hochgeschwindigkeits- und Hochtemperatureigenschaften ermöglicht.
  • Siliziumcarbid ist ein chemisch sehr stabiles Material, weist eine breite Bandlücke von 3 eV auf, und kann sehr konstant selbst auf hohen Temperaturen als Halbleitermaterial verwendet werden. Ferner weist Siliziumcarbid eine kritische elektrische Feldstärke auf, die das Zehnfache von Silizium oder mehr ist, und weist eine hohe Wahrscheinlichkeit auf, die Materialgrenze von Silizium zu überschreiten. Daher wird eine weitere Entwicklung für Leistungshalbleiteranwendungen, insbesondere MOSFETs, klar erwartet.
  • Es wird eine Struktur einer herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung beschrieben, bei der ein vertikaler MOSFET, der eine Grabenstruktur aufweist, zum Beispiel genommen wird. 30 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. Wie in 30 abgebildet, wird eine hochkonzentrierte n-leitende epitaktische Schicht 102 auf einer Vorderfläche eines n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 abgeschieden, und eine n- -leitende Driftschicht 103 wird auf einer Oberfläche der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 abgeschieden. In einer Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 103 wird eine p+ -leitende Basisregion 104 selektiv bereitgestellt.
  • Eine Grabenstruktur wird in der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung auf einer Seite der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung, welche die p+ -leitende Basisregion 104 aufweist, gebildet. Insbesondere dringt ein Graben 115 in die p+ -leitende Basisregion 104 von einer ersten Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 104 gegenüber einer zweiten Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 104, die dem n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 101 zugewandt ist, ein. Der Graben 115 erreicht die n- -leitende Driftschicht 103. Entlang einer Innenwand des Grabens 115 wird -ein Gate-Isolierfilm 105 auf einem Boden und an den Seitenwänden des Grabens 115 gebildet. Auf dem Gate-Isolierfilm 105 in dem Graben 115 wird eine Gate-Elektrode 106 gebildet. Ferner werden eine n+ -leitende Source-Region 108 und eine p+ -leitende Kontaktregion 107 in der Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 104 selektiv gebildet.
  • Dabei ist 31 eine Grafik der Störstellenkonzentrationen der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. 31 bildet die Störstellenkonzentrationen entlang einer Linie A-A1 in 30 ab. In 31 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von der Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 107 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Störstellenkonzentration an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die zur waagerechten Achse parallel ist, eine Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 und der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 an. Wie in 31 abgebildet, ist die Störstellenkonzentration der p+ -leitenden Kontaktregion 107 höher als eine Störstellenkonzentration der p+ -leitenden Basisregion 104; und die Störstellenkonzentrationen nehmen nacheinander in der Reihenfolge der n- -leitenden Driftschicht 103, der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 und des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 zu.
  • Ferner wird ein Zwischenschicht-Isolierfilm 109 bereitgestellt, um die Gate-Elektrode 106 abzudecken, die in dem Graben 115 eingebettet ist. Eine Source-Elektrode 110 steht mit der n+ -leitenden Source-Region 108 und der p+ -leitenden Kontaktregion 107 über ein Kontaktloch, das in dem Zwischenschicht-Isolierfilm 109 geöffnet ist, in Kontakt. An einer Rückfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 wird eine Drain-Elektrode (nicht gezeigt) bereitgestellt.
  • Wenn der vertikale MOSFET eine derartige Struktur aufweist, ist eine parasitäre pn-Diode, die durch die p+ -leitende Basisregion 104 und die n- -leitende Driftschicht 103 gebildet wird, als Body-Diode zwischen der Source und dem Drain eingebaut. Die parasitäre pn-Diode kann durch Anlegen eines hohen elektrischen Potentials an die Source-Elektrode 110 betätigt werde, und Strom fließt in einer Richtung (Richtung, die in 30 durch den Pfeil B angegeben ist) von der p+ -leitenden Kontaktregion 107, durch die p+ -leitende Basisregion 104, die n- -leitende Driftschicht 103 und die hochkonzentrierte n-leitende epitaktische Schicht 102 zu dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 101. Somit wird an dem MOSFET eine andere parasitäre pn-Diode als der IGBT eingebaut, wodurch eine Freilaufdiode (FWD), die bei einem Wechselrichter verwendet wird, entfallen kann, was zu Reduzierungen von Kosten und Größe beiträgt. Nachstehend wird die parasitäre pn-Diode des MOSFETs als „eingebaute Diode“ angegeben.
  • 32 ist eine Grafik der Lochdichte der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. Ferner ist 33 eine Grafik der Elektronendichte der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. 32 und 33 bilden die Lochdichte und die Elektronendichte eines Teils entlang einer Linie A-A' in 30 ab. Eine senkrechte Achse gibt die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 107 aus an, und eine waagerechte Achse gibt sowohl die Lochdichte als auch die Elektronendichte an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die zur waagerechten Achse parallel ist, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 und der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 an.
  • Wie in 32 und 33 abgebildet, sind Löcher in der p+ -leitenden Kontaktregion 107 vorhanden, und Elektronen sind in dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 101 und der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 enthalten. Wenn daher Strom durch die eingebaute Diode fließt, werden Löcher von der p+ -leitenden Kontaktregion 107 aus implantiert, und es kommt zu einer Rekombination von Elektronen und Löchern in der n- -leitenden Driftschicht 103 oder dem n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 101. Falls nun Kristalldefekte des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 101 auf Grund der erzeugten Rekombinationsenergie (3 eV), die der Bandlücke entspricht, vorliegen, migrieren Verschiebungen der Basisfläche, bei denen es sich um eine Art von Kristalldefekten handelt, die in dem n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 101 vorliegen, und Stapeldefekte, die zwischen zwei Verschiebungen der Basisfläche eingeschoben sind, dehnen sich aus. Dabei ist 34 eine Querschnittsansicht eines Stapeldefekts bei der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. 35 ist eine Draufsicht des Stapeldefekts bei der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung. 34 bildet ein Beispiel ab, bei dem eine Basisflächenverschiebung 111 zu einem Stapeldefekt 112 heranwächst. 35 ist ein Beispiel eines Photolumineszenz- (PL) Bildes eines Elements, bei dem ein Stapeldefekt vorkommt, nachdem Strom angelegt wurde. Es hat sich herausgestellt, dass ein dreieckiger Stapeldefekt 113 und ein stabförmiger Stapeldefekt 114 vorkommen.
  • Wenn sich ein Stapeldefekt ausdehnt, unterbindet der Stapeldefekt den Stromfluss, wodurch der ON-Widerstand des MOSFET und die Durchlassspannung der eingebauten Diode zunehmen. Wenn dieser Vorgang fortfährt, dehnt sich der Stapeldefekt kumulativ aus, wodurch ein Verlust, der in der Wechselrichterschaltung vorkommt, im Verlauf der Zeit zunimmt, und die Menge der erzeugten Wärme zunimmt, was den Ausfall der Vorrichtung verursacht. Um dieses Problem zu verhindern, kann eine Schottky-Diode (SiC-SBD) zum MOSFET antiparallel geschaltet sein, und es wird verhindert, dass Strom in die eingebaute Diode des MOSFET fließt.
  • Ferner wird, wie in 30 abgebildet, die hochkonzentrierte n-leitende epitaktische Schicht 102 bereitgestellt, wodurch verhindert werden kann, dass der Stapeldefekt wächst. Dadurch dass eine derart hoch dotierte Schichte gebildet wird, werden Lebensdauerverkürzungsmittel eingeführt, Löcher von der n- -leitenden Driftschicht 103 werden eingefangen, und das Vorkommen von Stapeldefekten sowie die Zunahme ihrer mathematischen Fläche werden unterdrückt.
  • Ferner gibt es eine Technik, die darin besteht, Minoritätsladungsträger innerhalb einer Grenzschicht zum Zeitpunkt des epitaktischen Wachstums, oder nach dem epitaktischen Wachstum, unter Verwendung von einem von Übergangsmetalldotierung oder einem extern erzeugten spezifischen Defekt oder einem spezifischen internen Wachstumsdefekt durch eine Elektronen- oder eine Protonenbestrahlungstechnik und das Einführen eines Lebensdauerverkürzungsmittels zu reduzieren (siehe beispielsweise das japanische Patent Nr. 4939777 ). Ferner gibt es eine Technik, die darin besteht, einen Kristalldefekt zu bilden, indem mindestens Helium (He), Edelgas, Platin (Pt), Vanadium (V), Ionen der Gruppe 4 usw. in einem Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat implantiert wird bzw. werden (siehe beispielsweise die US-Patentanmeldung Nr. 2017/0012102 ).
  • KURZDARSTELLUNG
  • Bei einem Aspekt der Ausführungsformen besteht eine Aufgabe darin, die obigen Probleme der herkömmlichen Technologien mindestens teilweise zu lösen.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, bereitgestellt wird; eine erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht selektiv bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als die Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist, wobei sich die Oberflächenschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, befindet; eine Gate-Elektrode, die gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über einen Gate-Isolierfilm bereitgestellt wird; und eine erste Elektrode, die auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht und der ersten Halbleiterregion bereitgestellt wird. Es werden Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats, wobei die erste Region mindestens 2 µm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht, wobei die zweite Region mindestens 3 µm von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, implantiert, wobei eine Konzentration der Protonen in einem Bereich von 1×1013/cm3 bis 1×1015/cm3 liegt.
  • Bei der Ausführungsform werden die Protonen in einer anderen Region der ersten Halbleiterschicht als der zweiten Region mit einer Konzentration von weniger als 1×1013/cm3 implantiert.
  • Bei der Ausführungsform werden die Protonen in dem Gate-Isolierfilm implantiert.
  • Bei der Ausführungsform wird Helium anstelle der Protonen implantiert.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines zweiten Leitfähigkeitstyps; eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt wird; eine zweite Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, bereitgestellt wird; eine erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, selektiv bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als eine Störstellenkonzentration der ersten Halbleiterschicht ist; und eine Gate-Elektrode, die gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über einen Gate-Isolierfilm bereitgestellt wird. Es werden Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats implantiert, wobei die erste Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, wobei die Protonen in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht implantiert werden, wobei die zweite Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, wobei die Protonen in einer dritten Region der ersten Halbleiterschicht implantiert werden, wobei die dritte Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der ersten Seite der ersten Halbleiterschicht, die der zweiten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und wobei die Protonen in einer vierten Region der zweiten Halbleiterschicht implantiert werden, wobei die vierte Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung das Bilden einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; das Bilden einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist; das selektive Bilden einer ersten Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; das Bilden einer Gate-Elektrode gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über den Gate-Isolierfilm; das Bestrahlen von Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats, wobei die erste Region mindestens 2 µm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und das Bestrahlen von Protonen in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht, wobei die zweite Region mindestens 3 µm von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, wobei eine Konzentration der Protonen in einem Bereich von 1×1013/cm3 bis 1×1015/cm3 liegt; und das Bilden einer ersten Elektrode auf den Oberflächen der ersten Halbleiterregion und der zweiten Halbleiterschicht.
  • Bei der Ausführungsform umfasst das Bestrahlen der Protonen das Bestrahlen der Protonen von einer Seite des Halbleitersubstrats, die der ersten Elektrode zugewandt ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 420 Grad C oder weniger nach dem Bilden der ersten Elektrode.
  • Bei der Ausführungsform umfasst das Bestrahlen der Protonen das Bestrahlen der Protonen von einer ersten Seite des Halbleitersubstrats gegenüber einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats, die der ersten Elektrode zugewandt ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 420 Grad C oder weniger nach dem Bilden der ersten Elektrode.
  • Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung spezifisch dargelegt oder werden daraus hervorgehen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 eine Querschnittsansicht einer Struktur einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
    • 3 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
    • 4 eine Grafik eines DLTS-Signals der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
    • 5 ein Ablaufschema, das einen Teil der Herstellung der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform abbildet;
    • 6 eine Querschnittsansicht der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform während der Herstellung;
    • 7 eine Querschnittsansicht der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform während der Herstellung;
    • 8 eine Querschnittsansicht der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform während der Herstellung;
    • 9 eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • 10 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
    • 11 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
    • 12 eine Grafik der Eigenschaften einer eingebauten Diode der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
    • 13 eine Grafik der Stromeigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform bei einer Sperrverzögerung;
    • 14 eine Querschnittsansicht der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform während der Herstellung;
    • 15 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;
    • 16 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform;
    • 17 eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
    • 18 eine Grafik der Heliumkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform;
    • 19 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform;
    • 20 eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
    • 21 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform;
    • 22 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform;
    • 22 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform;
    • 23 eine Grafik der IcVce-Eigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform;
    • 24 eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
    • 25 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
    • 26 eine Grafik der CV-Eigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
    • 27 eine Grafik der Protonenkonzentration einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung eines Beispiels;
    • 28 eine Grafik der Lochdichte einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung eines Beispiels;
    • 29 eine Grafik der Lochdichte einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung eines herkömmlichen Beispiels;
    • 30 eine Querschnittsansicht einer Struktur einer herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung;
    • 31 eine Grafik der Störstellenkonzentrationen der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung;
    • 32 eine Grafik der Lochdichte der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung;
    • 33 eine Grafik der Elektronendichte der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung;
    • 34 eine Querschnittsansicht eines Stapeldefekts in der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung; und
    • 35 eine Draufsicht des Stapeldefekts in der herkömmlichen Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zunächst werden Probleme beschrieben, die mit dem Stand der Technik verbunden sind. Die hochkonzentrierte n-leitende epitaktische Schicht 102 muss beispielsweise eine Filmdicke von 5 µm bis 10 µm und eine Störstellenkonzentration von 2×1018/cm3 oder mehr aufweisen. Somit entsteht das Problem, dass die Bildung der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 dieser Dicke zu einem verringerten Durchsatz des epitaktischen Wachstums führt, was zu erhöhten Kosten, erhöhter Defektdichte, die zu verringertem Ertrag führt, und erhöhtem Substratwiderstand führt. Ein weiteres Problem entsteht dadurch, dass auf Grund der hochkonzentrierten n-leitenden epitaktischen Schicht 102 die Lebensdauergenauigkeit von der Konzentration und Filmdicke abhängt und daher stark variiert.
  • Die Ausführungsformen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und eines Verfahrens zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen bedeuten Schichten und Regionen mit vorangestelltem n oder p, dass die Majoritätsladungsträger Elektronen oder Löcher sind. Zusätzlich bedeutet ein angehängtes + oder -, dass die Störstellenkonzentration jeweils höher oder niedriger als in Schichten und Regionen ohne + oder - ist. In der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen erhalten Hauptabschnitte, die identisch sind, die gleichen Bezugszeichen und werden nicht wiederholt beschrieben. Ferner bedeutet in der vorliegenden Beschreibung, wenn Miller-Indizes beschrieben werden, „-“ einen Strich, der zu einem Index direkt nach dem „-“ hinzugefügt wird, und ein negativer Index wird durch das Voranstellen von „-“ vor den Index ausgedrückt.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei der ersten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, bei dem die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung ein MOSFET ist. Wie in 1 abgebildet, werden in der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine n-leitende Grenzschicht 2 und eine n--leitende Driftschicht (erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps) 3 auf einer ersten Hauptfläche (Vorderfläche), beispielsweise der (0001)-Ebene (Si-Seite), eines n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats (Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps) 1 abgeschieden.
  • Das n+ -leitende Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 ist ein Siliziumcarbid-Einkristallsubstrat, das beispielsweise mit Stickstoff (N) dotiert ist. Die n-leitende Grenzschicht 2 ist beispielsweise mit Stickstoff dotiert und weist eine Störstellenkonzentration auf, die geringer ist als die des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1. Die n-leitende Grenzschicht 2 wird derart bereitgestellt, dass sich Kristalldefekte des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 auf die n- -leitende Driftschicht 3 fortpflanzen. Die n- -leitende Driftschicht 3 ist eine schwachkonzentrierte n-leitende Driftschicht, die beispielsweise mit Stickstoff dotiert ist und eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer als die des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 ist. Nachstehend bilden das n+ -leitende Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1, die n-leitende Grenzschicht 2, die n--leitende Driftschicht 3 und eine später beschriebene p+ -leitende Basisregion (zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps) 4 kombiniert eine Siliziumcarbid-Halbleiterbasis.
  • An einer zweiten Hauptfläche (Rückfläche, d.h. Rückfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis) des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 wird eine hintere Elektrode (nicht gezeigt) bereitgestellt. Die hintere Elektrode bildet eine Drain-Elektrode. An einer Oberfläche der hinteren Elektrode wird eine Drain-Elektrodenkontaktfläche (nicht gezeigt) bereitgestellt.
  • Auf der Seite einer ersten Hauptfläche (Seite der p+ -leitenden Basisregion 4) der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis ist die Grabenstruktur gebildet. Insbesondere dringt ein Graben 15 in die p+ -leitende Basisregion 4 von einer Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4 auf einer ersten Seite (Seite der ersten Hauptfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis) der p+ -leitenden Basisregion 4 gegenüber einer zweiten Seite der p+-leitenden Basisregion 4, die dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 zugewandt ist, ein. Der Graben 15 erreicht die n- -leitende Driftschicht 3. Entlang einer inneren Wand des Grabens 15 ist ein Gate-Isolierfilm 5 an den Seitenwänden und einem Boden des Grabens 15 gebildet. Eine Gate-Elektrode 6 ist auf dem Gate-Isolierfilm 5 in dem Graben 15 gebildet. Die Gate-Elektrode 6 ist gegenüber der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 durch den Gate-Isolierfilm 5 isoliert. Ein Teil der Gate-Elektrode 6 kann in Richtung auf die Source-Elektrode 10 von einem oberen Teil (Seite der Source-Elektrode 10) des Grabens 15 aus vorstehen.
  • Auf der Seite einer ersten Basishauptfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 wird die p+ -leitende Basisregion 4 bereitgestellt. In der p+ -leitenden Basisregion 4 werden auf der Seite der ersten Basishauptfläche eine n+ -leitende Source-Region (erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps) 8 und eine p+ -leitende Kontaktregion 7 selektiv bereitgestellt. Die n+ -leitende Source-Region 8 steht mit dem Graben 15 in Kontakt. Ferner stehen die n+ -leitende Source-Region 8 und die p+ -leitende Kontaktregion 7 miteinander in Kontakt.
  • Obwohl in 1 nur vier Graben-MOS-Strukturen abgebildet sind, können weitere MOS-Gate- (isolierte Gate-Elektrode, die aus einem Metalloxidfilm-Halbleiter besteht) Strukturen, die eine Grabenstruktur aufweisen, parallel angeordnet sein.
  • Ein Zwischenschicht-Isolierfilm 9 wird auf der Seite der ersten Hauptfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis bereitgestellt, um die Gate-Elektrode 6 zu bedecken, die in dem Graben 15 eingebettet ist. Die Source-Elektrode 10 steht mit der n+ -leitenden Source-Region 8 und der p+ -leitenden Kontaktregion 7 über ein Kontaktloch, das in dem Zwischenschicht-Isolierfilm 9 geöffnet ist, in Kontakt. \ Die Source-Elektrode 10 ist gegenüber der Gate-Elektrode 6 durch den Zwischenschicht-Isolierfilm 9 elektrisch isoliert. Auf der Source-Elektrode 10 wird eine Source-Elektrodenkontaktfläche (nicht gezeigt) bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Sperrmetall (nicht gezeigt), das verhindert, dass Metallatome von der Source-Elektrode 10 in Richtung auf die Gate-Elektrode 6 diffundieren, zwischen der Source-Elektrode 10 und dem Zwischenschicht-Isolierfilm 9 bereitgestellt werden.
  • Bei der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform werden Protonen als Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe einer Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 implantiert. Die Protonen sind Lebensdauerverkürzungsmittel und können die Lochdichte an der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 100fach oder mehr reduzieren. Dadurch kann eine Rekombination von Löchern und Elektronen reduziert werden, und das Wachstum von Kristalldefekten kann unterdrückt werden.
  • 2 ist eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 2 bildet die Protonenkonzentration eines Teils entlang einer Linie A-A' in 1 ab. In 2 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von der Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 an, und eine waagerechte Achse gibt die Protonenkonzentration an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die zur waagerechten Achse parallel ist, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an.
  • Wie in 1 und 2 abgebildet, werden Protonen beispielsweise in eine Region des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 implantiert, wobei die Region einen Abstand h1 (beispielsweise 2 µm) oder mehr von der Oberfläche des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1, die der n-leitenden Grenzschicht 2 zugewandt ist, überbrückt, und es werden Protonen in einer Region der n-leitenden Grenzschicht 2 implantiert, wobei die Region einen Abstand h2 (beispielsweise 3 µm) oder mehr von der Oberfläche der n-leitenden Grenzschicht 2, die dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 zugewandt ist, überbrückt. Die Konzentration der Protonen liegt in einem Bereich von 1×1013/cm3 bis 1×1015/cm3. Wenn die Konzentration niedriger als 1×1013/cm3 ist, ist die Funktion als Lebensdauerverkürzungsmittel unzureichend, und wenn die Konzentration höher als 1×1015/cm3 ist, fließt kein Strom zu der eingebauten Diode.
  • Beispielsweise wird die Konzentration von Protonen auf 1×1014/cm3 eingestellt, wodurch die Lochdichte an der Grenzfläche des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 gleich 1×1015/cm3 oder weniger sein kann, und selbst wenn die Stromdichte 1500 A/cm2 beträgt, das Vorkommen von Kristalldefekten verhindert werden kann.
  • Ferner ist 3 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 3 bildet die Lochdichte eines Teils entlang einer Linie A-A' in 1 ab. In 3 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 an, und eine waagerechte Achse stellt die Lochdichte dar. Ferner gibt eine punktierte Linie parallel zur waagerechten Achse die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an. Wie in 3 abgebildet, wird im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel (siehe 32) die Lochdichte an der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 verringert.
  • Dabei ist 4 eine Grafik eines DLTS-Signals der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. In 4 gibt eine senkrechte Achse die Stärke des DLTS-Signals an, und eine waagerechte Achse gibt die Temperatur in Kelvin- (K) Einheiten an. Ein Kapazitätstransientenspektroskopie- (DLTS) Verfahren ist eine Technik, die eine hochempfindliche Messung von Störstellen und Defekten in einem Halbleitermaterial ermöglicht. 4 bildet ein DLTS-Signal eines Siliziumcarbid-Halbleitermaterials, in dem Protonen implantiert sind, und ein DLTS-Signal eines Siliziumcarbid-Halbleitermaterials, in dem keine Protonen implantiert sind, ab. Wie in 4 abgebildet, weist das Siliziumcarbid-Halbleitermaterial, in dem keine Protonen implantiert wurden, eine Spitze bei 300 K auf, und das Siliziumcarbid-Halbleitermaterial, in dem Protonen implantiert wurden, weist Spitzen bei 300 K und 420 K auf. Daher kann die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung, in die Protonen an der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 implantiert wurden, durch das DLTS-Verfahren detektiert werden.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 5 ist ein Ablaufschema, das einen Teil der Herstellung der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform abbildet. 6, 7 und 8 sind Querschnittsansichten der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform während der Herstellung. In 5 werden Prozesse bezüglich der Protonenbestrahlung der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
  • Zuerst wird das n+ -leitende Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1, das n-leitendes Siliziumcarbid enthält, vorbereitet. Anschließend wird auf der ersten Hauptfläche des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 die n-leitende Grenzschicht 2, die Siliziumcarbid enthält, durch epitaktisches Wachstum gebildet, während eine n-leitende Störstelle, beispielsweise Stickstoffatome, dotiert wird. Als Nächstes wird auf der n-leitenden Grenzschicht 2 die n- -leitende Driftschicht 3, die Siliziumcarbid enthält, durch epitaktisches Wachstum gebildet, während eine n-leitende Störstelle, beispielsweise Stickstoffatome, dotiert wird. Der Zustand bis dahin ist in 6 abgebildet.
  • Als Nächstes wird auf einer Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 die p+ -leitende Basisregion 4, die mit einer p-leitenden Störstelle, wie etwa Aluminium, dotiert ist, gebildet. Als Nächstes wird auf einer Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4 durch Photolithographie eine Ionenimplantationsmaske, die eine vorbestimmte Öffnung aufweist, beispielsweise durch eine Oxidschicht gebildet. Eine n-leitende Störstelle, wie etwa Phosphor (P) wird in die Öffnung ionenimplantiert, wodurch die n+ -leitende Source-Region 8 in einem Teil der Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4 gebildet wird. Die Störstellenkonzentration der n+ -leitenden Source-Region 8 wird eingestellt, um höher als die Störstellenkonzentration der p+ -leitenden Basisregion 4 zu sein.
  • Als Nächstes wird die Ionenimplantationsmaske, die beim Bilden der n+ -leitenden Source-Region 8 verwendet wurde, entfernt, und durch ein ähnliches Verfahren wird eine Ionenimplantationsmaske, die eine vorbestimmte Öffnung aufweist, gebildet, eine p-leitende Störstelle, wie etwa Aluminium, wird in einem Teil der Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4 ionenimplantiert, wodurch die p+ -leitende Kontaktregion 7 gebildet wird. Die Störstellenkonzentration der p+ -leitenden Kontaktregion 7 wird eingestellt, um höher als die Störstellenkonzentration der p+ -leitenden Basisregion 4 zu sein. Der Zustand bis dahin ist in 7 abgebildet.
  • Als Nächstes wird eine Wärmebehandlung (Tempern) in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 1700 Grad C ausgeführt, und ein Aktivierungsprozess der n+ -leitenden Source-Region 8 und der p+ -leitenden Kontaktregion 7 wird ausgeführt. Wie beschrieben können die Ionenimplantationsregionen insgesamt durch eine einzige Wärmebehandlungssitzung aktiviert werden, oder die Wärmebehandlung und die Aktivierung können jedes Mal ausgeführt werden, wenn eine Ionenimplantation erfolgt.
  • Als Nächstes wird auf einer Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4 durch Photolithographie eine Maske zum Bilden von Gräben, die vorbestimmte Öffnungen aufweist, beispielsweise unter Verwendung eines Oxidfilms, gebildet. Als Nächstes werden durch Trockenätzen die Gräben 15 gebildet, die in die p+ -leitende Basisregion 4 eindringen und die n- -leitende Driftschicht 3 erreichen. Als Nächstes wird die Maske zum Bilden von Gräben entfernt.
  • Als Nächstes wird an den Oberflächen der n+ -leitenden Source-Region 8 und der p+ -leitenden Kontaktregion 7 entlang und an den Seitenwänden und dem Boden der Gräben 15 entlang der Gate-Isolierfilm 5 gebildet. Der Gate-Isolierfilm 5 kann durch thermische Oxidation durch Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 1000 Grad C gebildet werden. Ferner kann der Gate-Isolierfilm 5 durch ein Abscheidungsverfahren durch eine chemische Reaktion, wie etwa die für eine Hochtemperaturoxidation (HTO), gebildet werden.
  • Als Nächstes wird auf dem Gate-Isolierfilm 5 beispielsweise eine polykristalline Siliziumschicht gebildet, die mit Phosphoratomen dotiert ist. Die polykristalline Siliziumschicht kann derart gebildet sein, dass sie in die Gräben 15 eingebettet ist. Die polykristalline Siliziumschicht wird durch Photolithographie strukturiert, um in den Gräben 15 zu bleiben, wodurch die Gate-Elektroden 6 gebildet werden.
  • Als Nächstes wird beispielsweise Phosphorglas, das eine Dicke von ungefähr 1 µm aufweist, derart gebildet, dass es den Gate-Isolierfilm 5 und die Gate-Elektrode 6 bedeckt, wodurch der Zwischenschicht-Isolierfilm 9 gebildet wird (Schritt S1). Als Nächstes kann ein Sperrmetall (nicht gezeigt) aus Titan (Ti) oder Titannitrid (TiN) gebildet werden, um den Zwischenschicht-Isolierfilm 9 zu bedecken. Als Nächstes werden der Zwischenschicht-Isolierfilm 9 und der Gate-Isolierfilm 5 durch Photolithographie strukturiert, wodurch ein Kontaktloch gebildet wird, in dem die n+ -leitende Source-Region 8 und die p+ -leitende Kontaktregion 7 freigelegt sind (Schritt S2). Anschließend wird eine Wärmebehandlung (Aufschmelzen) ausgeführt, und der Zwischenschicht-Isolierfilm 9 wird geebnet.
  • Als Nächstes werden von der Seite der ersten Hauptfläche (Seite der p+ -leitenden Basisregion 4) der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis aus Protonen bestrahlt (Schritt S3). Die Protonen werden in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 bestrahlt, wie durch den Pfeil C in 8 angegeben. Der Zustand bis dahin ist in 8 abgebildet.
  • Als Nächstes wird in dem Kontaktloch und auf dem Zwischenschicht-Isolierfilm 9 ein leitfähiger Film, wie etwa ein Nickel- (Ni) Film, gebildet, der die Source-Elektrode 10 bildet (Schritt S4). Der leitfähige Film wird durch Photolithographie strukturiert, wodurch die Source-Elektrode 10 alleine in dem Kontaktloch bleibt.
  • Als Nächstes wird auf der zweiten Hauptfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 eine hintere Elektrode aus Nickel oder dergleichen gebildet. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung (Tempern) bei einer Temperatur von ungefähr 420 Grad C (Schritt S5). Bei einer Temperatur von mehr als 420 Grad C werden Kristalldefekte auf Grund von implantierten Protonen beseitigt und dienen nicht mehr als Lebensdauerverkürzungsmittel. Anschließend werden die Source-Elektrode 10 und die hintere Elektrode, die ohmsche Übergänge mit der n+ -leitenden Source-Region 8, der p+ -leitenden Kontaktregion 7 und dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 bilden, gebildet.
  • Als Nächstes wird auf der ersten Hauptfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis durch ein Sputter-Verfahren ein Aluminiumfilm, der eine Dicke von ungefähr 5 µm aufweist, abgeschieden und durch Photolithographie entfernt, um die Source-Elektrode 10 und den Zwischenschicht-Isolierfilm 9 zu bedecken, wodurch die Source-Elektrodenkontaktfläche gebildet wird.
  • Auf einer Oberfläche der hinteren Elektrode werden beispielsweise Titan (Ti), Nickel und Gold (Au) nacheinander gestapelt, wodurch die Drain-Elektrodenkontaktfläche (nicht gezeigt) gebildet wird. Somit wird die in 1 abgebildete Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung fertiggestellt.
  • Wie beschrieben werden gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform Protonen als Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht implantiert. Dadurch wird die Lochdichte der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitende Grenzschicht reduziert und das Wachstum von Kristalldefekten kann unterdrückt werden. Daher ermöglicht die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, dass Strom in der eingebauten Diode fließt, und kann in einem Wechselrichter verwendet werden, in dem Rücklaufstrom in die eingebaute Diode fließt.
  • Wenn ferner die hochkonzentrierte n-leitende epitaktische Schicht durch epitaktisches Wachstum gebildet wird, ist die Lebensdauergenauigkeit von der Konzentration und Filmdicke abhängig und variiert stark. Andererseits erfolgt bei der ersten Ausführungsform eine Protonenbestrahlung durch Ionenimplantation, und daher ist eine Kontrolle der Lebensdauerverkürzungsmittel gut, was eine stabile Bildung ermöglicht. Da ferner eine Protonenbestrahlung durch Ionenimplantation erfolgt, ist eine Fertigung mit geringeren Kosten als durch epitaktisches Wachstum möglich.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass Protonen auch in der n- -leitenden Driftschicht 3 implantiert werden.
  • Wie in 9 abgebildet, werden Protonen in einer Region der n- -leitenden Driftschicht 3 implantiert, wobei die Region einen Abstand h3 von einer Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 3, die in Richtung auf die n-leitende Grenzschicht 2 gewandt ist, überbrückt. Der Abstand h3 ist beispielsweise die Filmdicke der n- -leitenden Driftschicht 3. 10 ist eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. 10 bildet die Protonenkonzentration eines Teils entlang der Linie A-A' in 9 ab. In 10 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Protonenkonzentration an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die zur waagerechten Achse parallel ist, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an.
  • Wie in 10 abgebildet, ist die Konzentration der Protonen der n- -leitenden Driftschicht 3 geringer als die Konzentration der Protonen, die in dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 implantiert sind. Die Injektion der Protonen in die n- -leitende Driftschicht 3 mit einer geringen Konzentration ermöglicht es, die Qrr (Sperrverzögerungsladung) der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung zu reduzieren, und für den Fall der Verwendung in einem Wechselrichter oder dergleichen kann der Schaltverlust reduziert werden.
  • Ferner ist 11 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. 11 bildet die Lochdichte eines Teils entlang der Linie A-A' in 9 ab. In 11 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Lochdichte an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die parallel zu der waagerechten Achse ist, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an. 12 ist eine Grafik der Eigenschaften der eingebauten Diode der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. In 12 gibt eine senkrechte Achse den Durchlassstrom in A-Einheiten an, und eine waagerechte Achse gibt die Durchlassspannung in V-Einheiten an.
  • Wie in 11 abgebildet, wenn Protonen implantiert werden, nimmt im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine Protonen implantiert werden, die Lochdichte der n- -leitenden Driftschicht 3 ab. Wie in 12 abgebildet, ist jedoch die Verringerung des Durchlassstroms gering und liegt in einem Bereich, der die Verwendung der eingebauten Diode ermöglicht. 13 ist eine Grafik der Stromeigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform bei einer Sperrverzögerung. In 13 gibt eine senkrechte Achse den Strom an und eine waagerechte Achse gibt die Zeit an. Wie in 13 abgebildet, ist für den Fall, dass Protonen implantiert sind, die Verringerung des Stroms bei einer Sperrverzögerung gering, und die Qrr nimmt ab.
  • Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform wird dadurch gebildet, dass auch Protonen in der n- -leitenden Driftschicht 3 bei dem Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bestrahlt werden, und zwar vor oder nach dem Bestrahlen von Protonen in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 von der Seite der ersten Hauptfläche (der Seite der p+ -leitenden Basisregion 4) der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis aus.
  • Wie beschrieben werden gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht Protonen als Lebensdauerverkürzungsmittel implantiert. Dadurch werden ähnliche Wirkungen wie die der ersten Ausführungsform erreicht. Ferner werden bei der zweiten Ausführungsform Protonen auch in der n- -leitenden Driftschicht 3 implantiert. Dadurch kann die Qrr der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung reduziert werden, und für den Fall der Verwendung in einem Wechselrichter kann der Schaltverlust reduziert werden.
  • Eine Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform ist ähnlich wie die der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, und daher entfällt ihre Beschreibung. Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass Protonen von der Rückfläche aus implantiert werden.
  • 14 ist eine Querschnittsansicht der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform während der Herstellung. Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wird hergestellt, indem Protonen von der zweiten Hauptfläche (Rückfläche, d.h. der Rückfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis) des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 aus bestrahlt werden, wie durch den Pfeil C in 14 angegeben, wenn Protonen in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 bei dem Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bestrahlt werden.
  • Wenn Protonen von der Rückfläche aus bestrahlt werden, beispielsweise für den Fall, dass die Filmdicke des Substrats 100 µm beträgt, werden die Protonen mit einer Beschleunigungsspannung von 4 MeV bestrahlt. Eine Bestrahlung von Protonen von der Rückfläche aus, ermöglicht es zu verhindern, dass die Protonen in den Gate-Isolierfilm 5 eintreten, und ein Schwellenwert der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung variiert nicht.
  • Dabei ist 15 eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform. 16 ist eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform. 15 und 16 bilden die Protonenkonzentration und die Lochdichte eines Teils entlang der Linie A-A' in 1 ab. In 15 und 16 geben die senkrechten Achsen die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und die waagerechten Achsen geben jeweils die Protonenkonzentration und Lochdichte an. Ferner geben die punktierten Linien, die zu den waagerechten Achsen parallel sind, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an. Wie in 15 und 16 angegeben, selbst wenn Protonen von der Rückfläche aus bestrahlt werden, sind die Protonenkonzentration und die Lochdichte die gleichen wie für den Fall, dass die Protonen von der Seite der ersten Hauptfläche aus bestrahlt werden.
  • Wie beschrieben werden gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform Protonen von der Rückfläche aus als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht implantiert. Dadurch können ähnliche Wirkungen wie die der ersten Ausführungsform erreicht werden. Ferner wird bei der dritten Ausführungsform verhindert, dass die Protonen in den Gate-Isolierfilm eintreten, und daher variiert der Schwellenwert der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung nicht.
  • 17 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass anstelle von Protonen Helium (He) implantiert wird.
  • Wie in 17 abgebildet wird beispielsweise Helium in einer Region des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 in einem Abstand h1' oder mehr von der Oberfläche des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1, die der n-leitenden Grenzschicht 2 zugewandt ist, implantiert, und Helium wird in einer Region der n-leitenden Grenzschicht 2 in einem Abstand h2' oder mehr von der Oberfläche der n-leitenden Grenzschicht 2, die dem n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 1 zugewandt ist, implantiert. Dabei sind die Werte von h1', h2' die gleichen Werte wie von h1 (beispielsweise 2 µm), h2 (beispielsweise 3 µm) im Fall von Protonen.
  • Ähnlich wie die Protonen wird das Helium zu einem Lebensdauerverkürzungsmittel, das es ermöglicht, die Lochdichte der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 100fach oder mehr zu verringern. Dadurch wird eine Rekombination von Löcher und Elektronen reduziert, wodurch das Wachstum von Kristalldefekten unterdrückt werden kann.
  • Dabei ist 18 eine Grafik der Heliumkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. 19 ist eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. 18 und 19 bilden die Heliumkonzentration und die Lochdichte eines Teils entlang der Linie A-A' in 17 ab. In 18 und 19 geben die senkrechten Achsen die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und die waagerechten Achsen geben jeweils die Heliumkonzentration und die Lochdichte an. Ferner geben die punktierten Linien, die zu den waagerechten Achsen parallel sind, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an. Wie in 18 und 19 abgebildet, kann, selbst wenn Helium implantiert wird, die Lochdichte der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 100fach oder mehr reduziert werden.
  • Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform wird durch Bestrahlen von Helium anstelle von Protonen in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 von der Seite der ersten Hauptfläche (der Seite der p+ -leitenden Basisregion 4) der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis aus bei dem Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt. Das Helium wird beispielsweise bei einer Beschleunigungsspannung von 3,5 MeV bestrahlt.
  • Wie beschrieben wird gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der vierten Ausführungsform Helium als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des n+-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht implantiert. Dadurch werden ähnliche Wirkungen wie die der ersten Ausführungsform erreicht.
  • 20 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform. Bei der fünften Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, bei dem die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung ein IGBT ist. Wie in 20 abgebildet, wird ein p-leitendes Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 16 bereitgestellt, und in der p+ -leitenden Basisregion 4 wird auf der Seite der ersten Basishauptfläche eine n+ -leitende Emitter-Region 17 selektiv bereitgestellt.
  • Ferner steht eine Emitter-Elektrode 18 mit der n+-leitenden Emitter-Region 17 und der p+ -leitenden Kontaktregion 7 über ein Kontaktloch, das in dem Zwischenschicht-Isolierfilm 9 geöffnet ist, in Kontakt. An der zweiten Hauptfläche (Rückfläche, d.h. der Rückfläche der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis) des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 wird die hintere Elektrode (nicht gezeigt) bereitgestellt. Die hintere Elektrode bildet eine Kollektor-Elektrode. An einer Oberfläche der hinteren Elektrode wird eine Kollektor-Elektrodenkontaktfläche (nicht gezeigt) bereitgestellt. Die anderen Strukturen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform sind ähnlich wie die der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Bei der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der fünften Ausführungsform werden Protonen als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe einer Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 und in der Nähe einer Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 implantiert. Der IGBT führt eine bipolare Betätigung aus, und daher wachsen Kristalldefekte auch von der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 aus, und somit werden Protonen auch in der Nähe der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 implantiert.
  • Die Protonen werden zu einem Lebensdauerverkürzungsmittel, das es ermöglicht, die Lochdichte der Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 und die Lochdichte der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 zu reduzieren. Dadurch wird eine Rekombination von Löchern und Elektronen reduziert, wodurch das Wachstum von Kristalldefekten unterdrückt werden kann.
  • 21 ist eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform. 21 bildet die Protonenkonzentration eines Teils entlang der Linie A-A' in 20 ab. In 21 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Protonenkonzentration an. Ferner gibt eine punktierte Linie L1, die zu der waagerechten Achse parallel ist, eine Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an, und eine punktierte Linie L2, die zu der waagerechten Achse parallel ist, gibt die Grenzfläche der n--leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 an.
  • Wie in 20 und 21 abgebildet, werden die Protonen beispielsweise in eine Region des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 in einem Abstand h1" oder mehr von der Oberfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16, die der n-leitenden Grenzschicht 2 zugewandt ist, implantiert, und Protonen werden in einer Region der n-leitenden Grenzschicht 2 in einem Abstand h2" oder mehr von der Oberfläche der n-leitenden Grenzschicht 2, die dem p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrat 16 zugewandt ist, implantiert. Ferner werden Protonen beispielsweise in einer Region der n- -leitenden Driftschicht 3 in einem Abstand h4" oder mehr von der Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 3, die der p+ -leitenden Basisregion 4 zugewandt ist, implantiert, und Protonen werden in einer Region der p+ -leitenden Basisregion 4 in einem Abstand h3" oder mehr von der Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4, die der n- -leitenden Driftschicht 3 zugewandt ist, implantiert.
  • Ferner ist 22 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform. 22 bildet die Lochdichte eines Teils entlang der Linie A-A' in 20 ab. In 22 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Lochdichte an. Ferner gibt die punktierte Linie L1, die zu der waagerechten Achse parallel ist, die Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an, und die punktierte Linie L2, die zu der waagerechten Achse parallel ist, gibt die Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 an. Wie in 22 abgebildet, werden die Lochdichte der Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 und die Lochdichte der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 reduziert.
  • 23 ist eine Grafik der IcVce-Eigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform. In 23 gibt eine senkrechte Achse den Kollektorstrom Strom Ic in A-Einheiten an, und eine waagerechte Achse gibt die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter in V-Einheiten an. Wie in 23 abgebildet, selbst wenn Protonen implantiert werden und die Lochdichte reduziert wird, ändern sich die IGBT-Eigenschaften nicht wesentlich.
  • Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform wird durch Bestrahlen von Protonen in der Nähe der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 und der p+ -leitenden Basisregion 4 bei dem Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt, bevor oder nachdem die Protonen in der Nähe der Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 16 und der n-leitenden Grenzschicht 2 bestrahlt werden.
  • Wie beschrieben werden gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der fünften Ausführungsform Protonen als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des p-leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht und in der Nähe der Grenzfläche der n- -leitenden Driftschicht und der p+ -leitenden Basisregion implantiert. Dadurch werden selbst bei dem IGBT ähnliche Wirkungen wie die der ersten Ausführungsform erreicht.
  • 24 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform. Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass Protonen auch in dem Gate-Isolierfilm 5 implantiert werden.
  • 25 ist eine Grafik der Protonenkonzentration der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform. 25 bildet die Protonenkonzentration eines Teils entlang der Linie A-A' in 24 ab. In 25 gibt eine senkrechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der p+ -leitenden Kontaktregion 7 aus an, und eine waagerechte Achse gibt die Protonenkonzentration an. Ferner gibt eine punktierte Linie, die zu der waagerechten Achse parallel ist, die Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 an. Wie in 24 und 25 abgebildet, werden Protonen in einer Region der p+ -leitenden Basisregion 4 implantiert, wobei die Region den Abstand h3 von einer Oberfläche der p+ -leitenden Basisregion 4, die der Source-Elektrode 10 zugewandt ist, überbrückt. Der Abstand h3 ist eine Tiefe des Grabens 15, in dem der Gate-Isolierfilm 5 bereitgestellt wird.
  • 26 ist eine Grafik der CV-Eigenschaften der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform. In 26 gibt eine senkrechte Achse die Kapazität des Gate-Isolierfilms 5 in F-Einheiten an, und eine waagerechte Achse gibt die Gate-Spannung in V-Einheiten an. Wie in 26 abgebildet, wird die Lochdichte des Gate-Isolierfilms 5 durch Protonenimplantation reduziert, wodurch die CV-Eigenschaften verbessert werden. Daher ermöglicht die Protonenimplantation die Herstellung eines Produkts, das den Gate-Isolierfilm 5 aufweist, der günstig ist.
  • Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform wird hergestellt, indem ebenfalls Protonen in dem Gate-Isolierfilm 5 bei dem Verfahren zum Herstellen der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform vor oder nach dem Bestrahlen von Protonen in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n-leitenden Grenzschicht 2 von der Seite der ersten Hauptfläche (Seite der p+ -leitenden Basisregion 4) der Siliziumcarbid-Halbleiterbasis aus bestrahlt werden.
  • Wie beschrieben werden gemäß der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der sechsten Ausführungsform Protonen als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats und der n-leitenden Grenzschicht implantiert. Dadurch werden ähnliche Wirkungen wie die der ersten Ausführungsform erreicht. Ferner werden bei der sechsten Ausführungsform auch Protonen in dem Gate-Isolierfilm 5 implantiert. Dadurch kann ein Produkt hergestellt werden, dass den Gate-Isolierfilm 5 aufweist, der günstig ist, und die CV-Eigenschaften können verbessert werden.
  • 27 ist eine Grafik der Protonenkonzentration einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung eines Beispiels. Ferner ist 28 eine Grafik der Lochdichte der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung des Beispiels. 29 ist eine Grafik der Lochdichte einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung eines herkömmlichen Beispiels. In 27 gibt eine senkrechte Achse die Protonenkonzentration in Einheiten/cm3 an. Ferner gibt eine waagerechte Achse die Tiefe von einer Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 aus in µm-Einheiten an. In 28 und 29 gibt eine senkrechte Achse die Lochdichte in Einheiten/cm3 an, und eine waagerechte Achse gibt die Tiefe von einer Oberfläche der n- -leitenden Driftschicht 3 aus in µm-Einheiten an.
  • 27 bildet die Protonenkonzentration ab, wenn die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform simuliert wird. 28 bildet die Lochdichte ab, wenn die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform und die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung des herkömmlichen Beispiels simuliert werden. 27 und 28 sind Beispiele, bei denen die n-leitende Grenzschicht 2 nicht in der Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform bereitgestellt wird. Ferner bildet 29 die Lochdichte ab, wenn die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung des herkömmlichen Beispiels simuliert wird.
  • Wie in 28 und 29 abgebildet, werden die Protonen zu einem Lebensdauerverkürzungsmittel und die Lochdichte an der Grenzfläche des n+ -leitenden Siliziumcarbid-Halbleitersubstrats 1 und der n- -leitenden Driftschicht 3 nimmt mehr ab, als wenn keine Protonen implantiert werden.
  • Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind diverse Änderungen in einem Ausmaß, das den Geist der Erfindung nicht verlässt, möglich. Beispielsweise können die Dimensionen, Störstellenkonzentrationen usw. der Regionen gemäß den notwendigen Spezifikationen unterschiedlich eingestellt werden. Ferner wird bei den Ausführungsformen vorausgesetzt, dass der erste Leitfähigkeitstyp ein n-leitender ist, und es wird vorausgesetzt, dass der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-leitender ist; die vorliegende Erfindung wird jedoch ähnlich umgesetzt, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-leitender und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-leitender ist. Obwohl eine Halbleitervorrichtung beschrieben wurde, die eine MOS-Struktur aufweist, ist ferner auch eine Anwendung auf eine bipolare Halbleitervorrichtung möglich.
  • Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Protonen als ein Lebensdauerverkürzungsmittel in der Nähe der Grenzfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps implantiert. Dadurch wird die Lochdichte der Grenzfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps reduziert, wodurch das Wachstum von Kristalldefekten unterdrückt werden kann. Daher ermöglicht die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, dass Strom in die eingebaute Diode fließt, und die Verwendung in einem Wechselrichter, bei dem ein Rücklaufstrom in der eingebauten Diode fließt.
  • Wenn ferner die erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps durch epitaktisches Wachstum gebildet wird, ist die Lebensdauergenauigkeit von der Konzentration und Filmdicke abhängig, und die Variation ist deutlich. Andererseits erfolgt bei der vorliegenden Erfindung eine Protonenbestrahlung durch Ionenimplantation, und daher ist die Kontrolle des Lebensdauerverkürzungsmittels gut, was eine stabile Bildung ermöglicht. Da ferner eine Protonenbestrahlung durch Ionenimplantation erfolgt, ist eine Fertigung mit geringeren Kosten als bei epitaktischem Wachstum möglich.
  • Die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreichen eine Wirkung, indem die Ausdehnung von Stapeldefekten konstant und zu geringen Kosten unterdrückt werden kann.
  • Wie beschrieben sind die Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für Energieversorgungsvorrichtungen, wie etwa diverse Industriemaschinen und Stromgeräte, die eine Wechselrichterschaltung verwenden, die zu einer Diode in einem Siliziumcarbid-MOSFET parallel geschaltet ist, nützlich.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind nicht die beiliegenden Ansprüche nicht darauf einzuschränken, sondern sind als alle Änderungen und alternativen Bauweisen ausbildend anzusehen, die dem Fachmann einfallen können und die billigerweise zu der hier dargelegten grundlegenden Lehre gehören.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4939777 [0015]
    • US 2017/0012102 [0015]

Claims (8)

  1. Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, bereitgestellt wird; eine erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht selektiv bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als die Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist, wobei sich die Oberflächenschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, befindet; eine Gate-Elektrode, die gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über einen Gate-Isolierfilm bereitgestellt wird; und eine erste Elektrode, die auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht und der ersten Halbleiterregion bereitgestellt wird, wobei Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats, wobei die erste Region mindestens 2 µm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht, wobei die zweite Region mindestens 3 µm von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, implantiert sind, wobei eine Konzentration der Protonen in einem Bereich von 1×1013/cm3 bis 1×1015/cm3 liegt.
  2. Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Protonen in einer anderen Region der ersten Halbleiterschicht als der zweiten Region mit einer Konzentration von weniger als 1×1013/cm3 implantiert sind.
  3. Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Protonen in dem Gate-Isolierfilm implantiert sind.
  4. Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Helium anstelle der Protonen implantiert ist.
  5. Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat eines zweiten Leitfähigkeitstyps; eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt wird; eine zweite Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, bereitgestellt wird; eine erste Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, selektiv bereitgestellt wird, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als eine Störstellenkonzentration der ersten Halbleiterschicht ist; und eine Gate-Elektrode, die gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über einen Gate-Isolierfilm bereitgestellt wird, wobei Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats, wobei die erste Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, implantiert sind, wobei die Protonen in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht implantiert sind, wobei die zweite Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, wobei die Protonen in einer dritten Region der ersten Halbleiterschicht implantiert sind, wobei die dritte Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der ersten Seite der ersten Halbleiterschicht, die der zweiten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und die Protonen in einer vierten Region der zweiten Halbleiterschicht implantiert sind, wobei die vierte Region einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bilden einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentration aufweist, die geringer als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; Bilden einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf einer ersten Seite der ersten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist; selektives Bilden einer ersten Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Oberflächenschicht der zweiten Halbleiterschicht auf einer ersten Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber einer zweiten Seite der zweiten Halbleiterschicht, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, wobei die erste Halbleiterregion eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als eine Störstellenkonzentration des Halbleitersubstrats ist; Bilden einer Gate-Elektrode gegenüber mindestens einem Teil einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterschicht über den Gate-Isolierfilm; Bestrahlen von Protonen in einer ersten Region des Halbleitersubstrats, wobei die erste Region mindestens 2 µm von einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, die der ersten Halbleiterschicht zugewandt ist, überbrückt, und Bestrahlen von Protonen in einer zweiten Region der ersten Halbleiterschicht, wobei die zweite Region mindestens 3 µm von einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht auf der zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht, die dem Halbleitersubstrat zugewandt ist, überbrückt, wobei eine Konzentration der Protonen in einem Bereich von 1×1013/cm3 bis 1×1015/cm3 liegt; und Bilden einer ersten Elektrode auf den Oberflächen der ersten Halbleiterregion und der zweiten Halbleiterschicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestrahlen der Protonen das Bestrahlen der Protonen von einer Seite des Halbleitersubstrats, die der ersten Elektrode zugewandt ist, umfasst, und das Verfahren ferner das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 420 Grad C oder weniger nach dem Bilden der ersten Elektrode umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestrahlen der Protonen das Bestrahlen der Protonen von einer ersten Seite des Halbleitersubstrats gegenüber einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats, die der ersten Elektrode zugewandt ist, umfasst, und das Verfahren ferner das Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 420 Grad C oder weniger nach dem Bilden der ersten Elektrode umfasst.
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