DE102023107534B4 - Halbleitervorrichtung mit breiter bandlücke - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke. Die Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke enthält einen Halbleiterkörper (102), der eine erste Oberfläche (104) und eine entlang einer vertikalen Richtung (y) der ersten Oberfläche (104) entgegengesetzte zweite Oberfläche (106) aufweist. Eine Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen (108) erstreckt sich von der ersten Oberfläche (104) in den Halbleiterkörper (102). Die Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen (108) umfasst eine Gate-Elektrodenstruktur (1081) und eine Gate-Dielektrikumsstruktur (1082), die zwischen der Gate-Elektrodenstruktur (1081) und dem Halbleiterkörper (102) angeordnet ist. Die Gate-Dielektrikumsstruktur (1082) enthält eine High-k-Dielektrikumsschicht (1083). Ferner enthält die Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke eine Vielzahl von Mesa-Gebieten (110). Eine erste Seitenwand (1091) einer Graben-Gate-Struktur (108) der Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen (108) grenzt ein erstes Mesa-Gebiet (1101) der Vielzahl von Mesa-Gebieten (110), und eine zweite Seitenwand (1092) der Graben-Gate-Struktur (108) grenzt an ein zweites Mesa-Gebiet (1102) der Vielzahl von Mesa-Gebieten (110). Das erste Mesa-Gebiet (1101) enthält ein Body-Gebiet (112) eines ersten Leitfähigkeitstyps, das an die erste Seitenwand (1091) grenzt. Das zweite Mesa-Gebiet (1102) enthält ein Abschirmgebiet (114) des ersten Leitfähigkeitstyps. Eine Unterseite (1141) des Abschirmgebiets (114) hat einen größeren ersten vertikalen Abstand zur ersten Oberfläche (104) als eine Unterseite (1121) des Body-Gebiets (112) im ersten Mesa-Gebiet (1101) .

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke, insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke, die eine Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen enthält.
  • HINTERGRUND
  • Die Technologieentwicklung neuerer Generationen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke, z. B. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs) wie etwa Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), zielt auf eine Verbesserung elektrischer Vorrichtungseigenschaften und eine Reduzierung der Kosten durch Schrumpfen bzw. Verkleinern der Vorrichtungsgeometrien. Beispielhaft wird auf den Offenbarungsgehalt der Druckschriften JP 2013- 12 590 A , DE 11 2014 000 679 B4 , DE 10 2008 055 689 A1 , JP H09- 260 650 A , Mohammad Nawaz: On the evaluation of gate dielectrics for 4H-SiC based power MOSFETs (In: Hindawi, 2015, 1.1.2015, Article ID 651527, https://doi.org/10.1155/2015/651527) verwiesen. Wenngleich Kosten durch Verkleinern der Vorrichtungsgeometrien reduziert werden können, muss eine Vielzahl von Zielkonflikten und Herausforderungen erfüllt werden, wenn Vorrichtungsfunktionalitäten pro Flächeneinheit erhöht werden. Beispielsweise kann ein Reduzieren des flächenspezifischen Einschalt- bzw. Durchlasswiderstands RonxA einen Einfluss auf andere elektrische Vorrichtungseigenschaften wie etwa beispielsweise die Zuverlässigkeit der Vorrichtung haben, die durch hohe elektrische Felder in Graben-Dielektrika, z. B. einem Gate-Oxid, begrenzt sein kann.
  • Es besteht ein Bedarf an einer Verbesserung elektrischer Eigenschaften von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die zugehörigen Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu liefern, und in diese Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.
    • 1A und 1B sind schematische Querschnittsansichten, um beispielhafte Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke zu veranschaulichen, die Graben-Gate-Strukturen enthalten.
    • 2A bis 2C sind schematische Querschnittsansichten, um beispielhafte Gate-Dielektrikumsstrukturen der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke zu veranschaulichen.
    • 3 ist eine schematische grafische Darstellung, um beispielhafte Merkmale einer Driftstruktur einer Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke zu veranschaulichen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Beispiele gezeigt sind, in denen Halbleitersubstrate prozessiert werden können. Es ist zu verstehen, dass andere Beispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können für ein Beispiel veranschaulichte oder beschriebene Merkmale bei oder im Zusammenhang mit anderen Beispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Beispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Varianten umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche einschränkend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnet, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen sind offene Begriffe, und die Begriffe geben 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 ein hochdotiertes Halbleitermaterial. Der Begriff „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signal- und/oder Leistungsübertragung geeignet sind, zwischen die elektrisch gekoppelten Elemente geschaltet sein können, beispielsweise Elemente, die gesteuert werden können, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand bereitzustellen.
  • Falls zwei Elemente A und B mit einem „oder“ kombiniert werden, so ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart werden, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht ausdrücklich oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für dieselben Kombinationen ist „mindestens eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt mutatis mutandis für Kombinationen aus mehr als zwei Elementen.
  • Für physikalische Abmessungen angegebene Bereiche schließen die Randwerte ein. Beispielsweise liest sich ein Bereich für einen Parameter y von a bis b als a ≤ y ≤ b. Das Gleiche gilt für Bereiche mit einem Randwert wie „höchstens“ und „zumindest“.
  • Hauptbestandteile einer Schicht oder einer Struktur aus einer chemischen Verbindung oder Legierung sind solche Elemente, deren Atome die chemische Verbindung oder Legierung bilden.
  • Beispielsweise sind Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) die Hauptbestandteile einer Siliziumcarbind- (SiC-)Schicht.
  • Der Begriff „auf“ ist nicht dahingehend aufzufassen, dass er nur „direkt auf“ bedeutet. Vielmehr kann, falls ein Element „auf“ einem anderen Element positioniert ist (z. B. eine Schicht „auf“ einer anderen Schicht oder „auf“ einem Substrat ist), eine weitere Komponente (z. B. eine weitere Schicht) zwischen den beiden Elementen positioniert sein (z. B. kann eine weitere Schicht zwischen einer Schicht und einem Substrat, falls die Schicht „auf“ dem Substrat ist, positioniert sein).
  • Ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke. Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke enthält einen Halbleiterkörper, der eine erste Oberfläche und eine entlang einer vertikalen Richtung der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche aufweist. Die Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen erstreckt sich von der ersten Oberfläche in den Halbleiterkörper. Die Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen umfasst eine Gate-Elektrodenstruktur und eine zwischen der Gate-Elektrodenstruktur und dem Halbleiterkörper angeordnete Gate-Dielektrikumsstruktur. Die Gate-Dielektrikumsstruktur kann eine High-k-Dielektrikumsschicht enthalten. Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann ferner eine Vielzahl von Mesa-Gebieten enthalten. Eine erste Seitenwand einer Graben-Gate-Struktur der Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen kann an ein erstes Mesa-Gebiet der Vielzahl von Mesa-Gebieten grenzen. Eine zweite Seitenwand der Graben-Gate-Struktur kann an ein zweites Mesa-Gebiet der Vielzahl von Mesa-Gebieten grenzen. Das erste Mesa-Gebiet kann ein Body-Gebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps enthalten, das an die erste Seitenwand grenzt. Das zweite Mesa-Gebiet kann ein Abschirmgebiet des ersten Leitfähigkeitstyps enthalten. Eine Unterseite des Abschirmgebiets kann einen größeren ersten vertikalen Abstand zur ersten Oberfläche als eine Unterseite des Body-Gebiets im ersten Mesa-Gebiet aufweisen.
  • Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein oder kann eine diskrete Halbleitervorrichtung oder ein Halbleitermodul sein. Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGFET) wie etwa ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) sein oder einen solchen enthalten. Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann eine vertikale Halbleitervorrichtung mit einem Laststromfluss zwischen der ersten Oberfläche und der der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche sein. Die vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung kann dafür konfiguriert sein, Ströme von mehr als 1 A oder mehr als 10 A oder mehr als 30 A oder mehr als 50 A oder mehr als 75 A oder gar mehr als 100 A zu leiten, und kann ferner dafür konfiguriert sein, Spannungen zwischen Lastelektroden, z. B. zwischen Kollektor und Emitter eines IGBT oder zwischen Drain und Source eines MOSFET, im Bereich von einigen hundert bis zu einigen tausend Volt, z. B. 400 V, 650 V, 1,2 kV, 1,7 kV, 3,3 kV, 4,5 kV, 5,5 kV, 6 kV, 6,5kV, 10 kV, zu sperren. Die Sperrspannung kann beispielsweise einer in einem Datenblatt der Leistungs-Halbleitervorrichtung spezifizierten Spannungsklasse entsprechen.
  • Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann auf einem Halbleiterkörper aus einem kristallinen Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke basieren, das eine größere Bandlücke als die Bandlücke von Silizium, d. h. größer als 1,12 eV, aufweist. Das Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke kann beispielsweise eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen und kann Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Halbleitermaterial um 2H-SiC (SiC des 2H-Polytyps), 6H-SIC oder 15R-SiC handeln. Gemäß einem Beispiel ist das Halbleitermaterial Siliziumcarbid des 4H-Polytyps (4H-SiC). Der Halbleiterkörper kann ein Halbleitersubstrat enthalten oder daraus bestehen, das keine, eine oder mehr als eine Halbleiterschicht, z. B. epitaktisch aufgewachsene Schichten, darauf aufweist.
  • Beispielsweise kann die erste Oberfläche eine vordere Oberfläche oder eine Oberseite des Halbleiterkörpers sein und kann die zweite Oberfläche eine Rückseite oder eine rückseitige Oberfläche des Halbleiterkörpers sein. Der Halbleiterkörper kann über die zweite Oberfläche beispielsweise an einem Leiterrahmen angebracht werden. Über der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers können beispielsweise Bond-Pads angeordnet sein und können Bond-Drähte auf die Bond-Pads gebondet sein.
  • Die Graben-Gate-Struktur kann beispielsweise streifenförmig sein, und die erste laterale Richtung kann beispielsweise eine longitudinale Richtung der streifenförmigen Graben-Gate-Struktur sein. Die Graben-Gate-Struktur kann auch ein anderes Layout oder eine andere Geometrie in Draufsicht, z. B. hexagonal, quadratisch, kreisförmig, elliptisch, aufweisen. Seitenwände der Graben-Gate-Struktur können beispielsweise nicht konisch oder geringfügig konisch sein. Im Fall geringfügig konischer Seitenwände der Graben-Gate-Struktur kann eine Kanallänge geringfügig größer als die vertikale Erstreckung eines Kanalgebiets sein. Der Verjüngungs- bzw. Konuswinkel der Graben-Gate-Struktur kann durch die Prozesstechnologie, z. B. das Aspektverhältnis von Grabenätzprozessen, bedingt sein und kann auch genutzt werden, um die Ladungsträgerbeweglichkeit im Kanalgebiet zu maximieren, die von der Richtung abhängt, entlang der ein Kanalstrom fließt.
  • Ein anderes Beispiel für eine konische Graben-Gate-Struktur ist eine V-förmige Graben-Gate-Struktur.
  • Die Gate-Elektrodenstruktur kann ein oder mehrere leitfähige Materialien, z. B. ein Metall, Metall-Legierungen, z. B. Cu, Au, AlCu, Ag oder Legierungen davon, Metallverbindungen, z. B. TiN, hochdotiertes Halbleitermaterial wie etwa hochdotiertes polykristallines Silizium, enthalten. Die ein oder mehr leitfähigen Materialien können beispielsweise einen Schichtstapel bilden. Die Gate-Elektrodenstruktur kann beispielsweise mit einem Gate-Pad elektrisch verbunden sein. Das Gate-Pad und beispielsweise ein erstes Lastelektroden-Pad, z. B. ein Source-Pad eines MOSFET oder ein Emitter-Pad eines IGBT, können Teil eines Verdrahtungsbereichs über dem Halbleiterkörper mit breiter Bandlücke sein. Der Verdrahtungsbereich kann eine oder mehr als eine, z. B. zwei, drei, vier oder noch mehr Verdrahtungsebenen umfassen. Jede Verdrahtungsebene kann von einer einzelnen oder einem Stapel leitfähiger Schichten, z. B. Metallschicht(en), gebildet werden. Die Verdrahtungsebenen können beispielsweise lithografisch strukturiert sein. Zwischen gestapelten Verdrahtungsebenen kann eine Zwischenschicht-Dielektrikumsstruktur angeordnet sein. Ein Kontaktstöpsel (Kontaktstöpsel) und/oder eine Kontaktleitung(en) können/kann in Öffnungen einer Zwischenschicht-Dielektrikumsstruktur ausgebildet sein, um Teile, z. B. Metallleitungen oder Kontaktbereiche, verschiedener Verdrahtungsebenen elektrisch miteinander zu verbinden.
  • Jedes der Mesa-Gebiete kann beispielsweise durch gegenüberliegende der Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen lateral begrenzt sein.
  • Ein Teil des Body-Gebiets, der an die erste Seitenwand grenzt, kann ein Kanalgebiet definieren, dessen Leitfähigkeit durch ein an die Gate-Elektrodenstruktur angelegtes Potential z. B. durch einen Feldeffekt gesteuert werden kann. Beispielsweise kann eine an die Graben-Gate-Struktur in einem n-Kanal-MOSFET angelegte positive Spannung einen n-Inversionskanal in einem Teil des p-dotierten Body-Gebiets beispielsweise induzieren, der an die erste Seitenwand grenzt. Das Body-Gebiet kann über die erste Oberfläche, z. B. durch einen Kontaktstöpsel auf einer Oberseite des Body-Gebiets und/oder einen Vertiefungskontakt, der sich in den Halbleiterkörper erstrecken kann und über eine Seitenwand des Vertiefungskontakts mit dem Body-Gebiet elektrisch verbunden sein kann, elektrisch verbunden sein. Der Kanalgebietsteil des Body-Gebiets kann beispielsweise eine partielle Kompensation durch Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps, z. B. Dotierstoffe vom n-Typ im Fall eines p-dotierten Body-Gebiets, enthalten, um die Schwellenspannung einzustellen. Die partielle Kompensation kann zum Beispiel durch eine geneigte Ionenimplantation durch eine Seitenwand eines Grabens erreicht werden.
  • Das Abschirmgebiet kann einen pn-Übergang mit einer Driftstruktur des zweiten Leitfähigkeitstyps ausbilden. Die Sperrspannung der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann durch eine Verunreinigungs- bzw. Störstellen- oder Dotierungskonzentration und/oder eine vertikale Ausdehnung der Driftstruktur im Halbleiterkörper eingestellt werden. Eine Dotierungskonzentration der Driftstruktur kann mit zunehmendem Abstand zur ersten Oberfläche zumindest in Bereichen bzw. Abschnitten ihrer vertikalen Ausdehnung allmählich oder in Schritten zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Beispielen kann die Störstellenkonzentration in der Driftstruktur annähernd gleichmäßig sein. Für eine auf SiC basierende Leistungs-Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann eine mittlere Störstellenkonzentration der Driftstruktur zwischen 5 × 1014 cm-3 und 1 × 1017 cm-3, zum Beispiel in einem Bereich von 1 × 1015 cm-3 bis 2 × 1016 cm-3, liegen. Eine vertikale Erstreckung der Driftstruktur kann von Spannungssperranforderungen, z. B. einer spezifizierten Spannungsklasse, der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke abhängen. Wenn die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke in einem Spannungssperrmodus betrieben wird, kann sich je nach der an die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke angelegten Sperrspannung ein Raumladungsgebiet teilweise oder ganz vertikal durch die Driftstruktur erstrecken. Wenn die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke bei oder nahe der spezifizierten maximalen Sperrspannung betrieben wird, kann das Raumladungsgebiet ein Puffergebiet der Driftstruktur erreichen oder in dieses eindringen, das dafür konfiguriert ist, zu verhindern, dass das Raumladungsgebiet weiter zu einem Kontakt einer zweiten Lastelektrode an der zweiten Oberfläche reicht. Die zweite Lastelektrode kann beispielsweise eine Kollektor-Elektrode eines IGBT oder eine Drain-Elektrode eines MOSFET sein.
  • Um eine gewünschte Strombelastbarkeit bzw. Stromtragfähigkeit zu realisieren, kann die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke mittels einer Vielzahl parallel geschalteter Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke ausgelegt bzw. ausgestaltet werden. Die parallel geschalteten Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke können beispielsweise Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke sein, die in der Form eines Streifens oder eines Streifensegments ausgebildet sind. Natürlich können die Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke auch jede beliebige andere Form, z. B. kreisförmig, elliptisch, polygonal wie etwa hexagonal oder oktaedrisch, aufweisen. Die Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke können in einem aktiven Bereich des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Bei dem aktiven Bereich kann es sich um einen Bereich handeln, in dem ein Emitter-Gebiet eines IGBT (oder ein Source-Gebiet eines MOSFET) und ein Kollektor-Gebiet eines IGBT (oder ein Drain-Gebiet eines MOSFET) entlang der vertikalen Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im aktiven Bereich kann ein Laststrom in den Halbleiterkörper der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke z. B. über Kontaktstöpsel auf der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers eintreten oder aus ihm austreten. Die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke kann ferner einen Randabschlussbereich aufweisen, der eine Abschlussstruktur enthalten kann. In einem Sperrmodus oder einem in Sperrrichtung vorgespannten Modus der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke fällt die Sperrspannung zwischen dem aktiven Bereich und einem feldfreien Gebiet über die Abschlussstruktur lateral ab. Die Abschlussstruktur kann eine höhere oder eine geringfügig niedrigere Spannungssperrfähigkeit als der aktive Bereich aufweisen. Die Abschlussstruktur kann eine Übergangs- bzw. Sperrschicht-Abschlussausdehnung (JTE) mit oder ohne Variation einer lateralen Dotierung (VLD), einem oder mehreren lateral getrennten Schutzringen oder irgendeiner beliebigen Kombination davon umfassen.
  • Das Vorsehen des Abschirmgebiets und der Gate-Dielektrikumsstruktur einschließlich der High-k-Dielektrikumsschicht kann ein Erhöhen der Gate-Source-Kapazität (CGS) ermöglichen, ohne die Zuverlässigkeit der Gate-Dielektrikumsstruktur im Ein-Zustand der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke zu vermindern. Dies kann ein Reduzieren des flächenspezifischen Durchlasswiderstands, RonxA, und der Drain-induzierten Barrierenabsenkung (DIBL) ermöglichen. Beispielsweise kann die reduzierte DIBL aufgrund der High-k-Dielektrikumsschicht im Gate-Dielektrikum die Nutzung eines kürzeren MOS-Kanals (z. B. im Bereich vom 100 nm bis 300 nm) ermöglichen. Im Hinblick auf die High-k-Dielektrikumsschicht kann im Vergleich mit Gate-Dielektrika aus SiO2 der Abschirmaufwand der Gate-Dielektrikumsschicht durch das Abschirmgebiet reduziert werden. Dies kann eine Reduzierung der dem sogenannten JFET (Junction-Feldeffekttransistor) zugeschriebenen Durchlasswiderstandskomponente ermöglichen, was auf den Abschirmgebieten basiert. Die Verkleinerung vertikaler und/oder lateraler Abmessungen der Abschirmgebiete kann beispielsweise kleinere Zellenabstände ermöglichen. Im Vergleich mit Graben-Transistoren, die auf Gate-Dielektrika aus SiO2 und Abschirmgebieten basieren, kann eine Reihe technischer Vorteile erzielt werden, einschließlich unter anderem die Vermeidung tiefer Implantationen, die hohe Ionenimplantationsenergien erfordern, da höhere elektrische Feldstärken näher an der Gate-Dielektrikumsstruktur erlaubt werden können, reduzierte laterale Abstände der Abschirmgebiete ermöglichen eine Verkleinerung der Zellen, niedrigere Ionenimplantationsdosen für die Body-Gebiete aufgrund einer reduzierten DIBL und/oder eine negative eingebaute Ladung in der High-k-Dielektrikumsschicht ermöglicht eine höhere Kanalbeweglichkeit aufgrund einer geringeren Ionenstörstellenstreuung im Durchlass- bzw. Ein-Zustand. Eine niedrigere DIBL kann im Hinblick auf die höhere Gate-Source-Kapazität aufgrund der High-k-Dielektrikumsschicht erzielt werden, höhere Ionenimplantationsdosen für ein Stromspreizungsgebiet können im Hinblick auf höhere elektrische Felder erzielt werden, die nahe der Gate-Dielektrikumsschicht im Hinblick auf die High-k-Dielektrikumsschicht erlaubt sind. Die Toleranz gegenüber höheren elektrischen Feldern nahe der Gate-Dielektrikumsstruktur kann ein Verringern aller Ionenimplantationsenergien/-tiefen/-dosen des ersten Leitfähigkeitstyps ermöglichen, die typischerweise erforderlich sind, um ein JFET-artiges Abschirmgebiet eines Graben-MOSFET zu bilden, wodurch der JFET-Widerstand reduziert wird und eine signifikante Reduzierung der Herstellungskosten und Komplexität sowie eine Abstandsreduzierung ermöglicht werden (flachere Implantationen weisen typischerweise ein geringeres „laterales Straggling“ bzw. eine geringere „laterale Streubreite“ auf). Gleichzeitig können höhere Ionenimplantationsdosen und/oder -energien des zweiten Leitfähigkeitstyps genutzt werden, um ein optimiertes Stromspreizungsgebiet zu bilden, das eine bessere Stromspreizung und weitere Reduzierung des RonxA ermöglicht.
  • Beispielsweise kann die Dielektrikumsstruktur (abgekürzt DS) ein bekanntes SiO2-Gate-Dielektrikum eines SiC-MOSFET ersetzen und kann eine oder mehrere, z. B. alle, der folgenden Eigenschaften erfüllen: i) eine relative Permittivität: εr,AGI >> εr,SiO2, z. B. εr,AGI ≥ εr,SiC ii) einen Leitungsbandversatz : EC,DS - EC,SiC >> 0, z. B. EC,ADS - EC,SiC ≥ 1 eV; iii) einen Valenzbandversatz: EV,SiC -EV,DS >> 0, z. B. EV,SiC -EV,DS ≥ 1 eV; iv) eine Durchbruchstärke EBD,DS > EBD,SiC, z. B. EBD,DS ≥ 4 MV/cm; v) nicht-ferroelektrisch zu sein. Die Eigenschaft (i) ermöglicht die Vorteile, dass (1) die Gate-Source-Kapazität im Wesentlichen erhöht wird, ohne die Zuverlässigkeit des Gate-Dielektrikums in einem Ein-Zustand zu vermindern, wodurch der Kanalwiderstand und die Drain-induzierte Barrierenabsenkung (DIBL) reduziert werden, und dass (2) der Abschirmaufwand des Gate-Dielektrikums im Wesentlichen reduziert wird, ohne die Zuverlässigkeit des Gate-Dielektrikums im Aus-Zustand zu vermindern, wodurch der JFET-Widerstand reduziert wird und kleinere Abstände ermöglicht werden. Die Eigenschaften (ii), (iii) und (iv) qualifizieren das Material der Dielektrikumsstruktur als Gate-Isolator für SiC. Materialien, die die obigen Eigenschaften erfüllen, sind beispielsweise Al2O3, HfO2, ZrO2, AlN. Die Eigenschaft (v) stellt sicher, dass sich die Permittivität bei einer angelegten Gate-Vorspannung nicht ändert.
  • Beispielsweise kann die High-k-Dielektrikumsschicht der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke zumindest eines der folgenden Materialien umfassen: Al2O3, ZrO2, HfO2, AlN, Alumosilikat AlSiOx, Silizium-La- oder Si-dotiertes HfO2, TiO2, Y2O3 oder Si3N4.
  • Die Dielektrikumsstruktur kann beispielsweise ferner eine erste Dielektrikumsschicht enthalten, die zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht und dem Body-Gebiet angeordnet ist. Die erste Dielektrikumsschicht kann eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist. Beispielsweise kann die erste Dielektrikumsschicht zumindest eines von SiO2, AlN oder Si3N4 enthalten.
  • Die erste Dielektrikumsschicht kann eine erste SiO2-Schicht sein. Eine Dicke der High-k-Dielektrikumsschicht kann um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer als eine erste Dicke der ersten Dielektrikumsschicht sein. Dies kann eine Ausnutzung der Grenzflächeneigenschaften zwischen SiO2 und dem Halbleiterkörper mit breiter Bandlücke, z. B. SiC, ermöglichen, während die hohe Permittivität der High-k-Dielektrikumsschicht für das Reduzieren des Kanalwiderstands und der JFET-Abschirmung genutzt wird.
  • Beispielsweise kann eine Grenzfläche zwischen der ersten SiO2-Schicht und dem Halbleiterkörper, z. B. SiC, mittels Stickstoff passiviert werden. Die Stickstoffpassivierung kann beispielsweise erreicht werden, indem eine dünne SiO2-Schicht auf dem Halbleiterkörper ausgebildet wird, gefolgt von einem Ausheilen in Stickstoffmonoxid (NO). Als eine Alternative dazu oder zusätzlich kann eine Stickstoffpassivierung auch beispielsweise durch Abscheiden einer dünnen SiO2-Schicht auf dem Halbleiterkörper in einer Stickstoffmonoxid-Atmosphäre und anschließendes Passivieren der Grenzfläche dieser Schicht zum Halbleiterkörper in einer Stickstoffmonoxid-Atmosphäre erreicht werden.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann eine Stickstoffpassivierung auch erreicht werden, indem zum Beispiel die Siliziumcarbid-Oberfläche in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre, z. B. Stickstoffmonoxid NO oder Distickstoffmonoxid N2O, oxidiert wird. Um die Dicke der ersten, mit Stickstoff passivierten Oxidschicht weiter zu reduzieren, kann eine Nassoxidätzung, z. B. eine Flusssäure enthaltende Lösung, nach einem Oxidieren der Siliziumcarbid-Oberfläche in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre genutzt werden. Nach der Nassätzung darf nur eine sehr dünne stickstoff- und sauerstoffhaltige Schicht an der SiC/SiO2-Grenzfläche zurückbleiben.
  • Beispielsweise kann die erste Dicke in einem Bereich von 1 nm bis 10 nm liegen. Die erste Dielektrikumsschicht kann beispielsweise eine Dicke entsprechend einer geringen Anzahl an Monolagen aufweisen. In einigen Beispielen kann die erste Dielektrikumsschicht eine erste Dicke von weniger als 1 nm aufweisen.
  • Die Dielektrikumsstruktur kann ferner beispielsweise eine zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht und der Gate-Elektrodenstruktur angeordnete zweite Dielektrikumsschicht enthalten. Die zweite Dielektrikumsschicht kann eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist. Beispielsweise kann die zweite Dielektrikumsschicht zumindest eines von beispielsweise SiO2, AlN oder Si3N enthalten.
  • Bei der zweiten Dielektrikumsschicht kann es sich beispielsweise um eine zweite SiO2-Schicht handeln. Eine Dicke der High-k-Dielektrikumsschicht kann um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer als jede einer ersten Dicke der ersten SiO2-Schicht oder einer zweiten Dicke der zweiten SiO2-Schicht oder einer Summe der ersten Dicke und der zweiten Dicke sein. Diese Beziehung zwischen den Dicken kann von der Durchbruchspannung und Permittivität jeder Dielektrikumsschicht im Stapel abhängen und kann für eine angestrebte Zuverlässigkeit und einen niedrigen Kanalwiderstand optimiert werden, wobei die Durchbruchspannung und die hohe Permittivität der High-k-Dielektrikumsschicht und deren Verhältnisse zu den anderen Dielektrikumsschichten mit niedrigerer Permittivität berücksichtigt werden. Dies kann ermöglichen, Grenzflächeneigenschaften zwischen SiO2 und dem Halbleiterkörper mit breiter Bandlücke, z. B. SiC, weiter auszunutzen, während die hohe Permittivität der High-k-Dielektrikumsschicht zum Reduzieren des Kanalwiderstands genutzt wird.
  • Beispielsweise kann das Abschirmgebiet an zumindest einen Teil der zweiten Seitenwand und einem Teil einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur grenzen. Der erste vertikale Abstand kann in einem Bereich von 101 % bis 150 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur zur ersten Oberfläche liegen. Als Alternative dazu oder zusätzlich kann eine Unterseite eines pn-Übergangs zwischen dem Abschirmgebiet und einer Driftstruktur einen vertikalen Abstand zur Unterseite der Graben-Gate-Struktur aufweisen, der beispielsweise in einem Bereich von 10 nm bis 500 nm liegt. Dies kann eine Verbesserung hinsichtlich einer Verkleinerung von Abmessungen des Zellen-Layouts und Reduzierung des RonxA im Vergleich mit Zellen-Layouts mit tieferen Abschirmgebieten und SiO2-Gate-Dielektrika ermöglichen.
  • Beispielsweise kann das Abschirmgebiet an zumindest einen Teil der zweiten Seitenwand grenzen. Der erste vertikale Abstand kann in einem Bereich von 60 % bis 100 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur zur ersten Oberfläche liegen. Der erste vertikale Abstand kann beispielsweise von einem Ende eines Kanalgebiets, z. B. einer Unterseite des Body-Gebiets, bis zur Unterseite der Graben-Gate-Struktur reichen.
  • Bei einem vertikalen Niveau einer Unterseite eines Source-Gebiets des zweiten Leitfähigkeitstyps kann beispielsweise eine Breite des Abschirmgebiets in einem Bereich von 60 % bis 90 % einer Breite des zweiten Mesa-Gebiets liegen. Zusätzlich oder als Alternative dazu kann die Breite des Abschirmgebiets beispielsweise in einem Bereich von 50 nm bis 300 nm liegen. Da eine Tiefe des Abschirmgebiets in Bezug auf Abschirmgebiete von Graben-MOSFETs mit einem SiO2-Gate-Oxid verringert werden kann, kann eine laterale Streuung während einer Ionenimplantation der Abschirmgebiete verringert werden. Dies kann eine bessere Kontrolle bzw. Steuerung horizontaler Implantationsprofile („kastenförmiger“) ermöglichen und infolgedessen beispielsweise eine weitere Reduzierung von Abmessungen des Zellen-Layouts ermöglichen.
  • Das zweite Mesa-Gebiet kann zum Beispiel das an die zweite Seitenwand der Graben-Gate-Struktur angrenzende Body-Gebiet enthalten. Eine Gate-Elektrode der Graben-Gate-Struktur kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass sie eine Kanalleitfähigkeit, z. B. mittels eines Feldeffekts, an gegenüberliegenden Seitenwänden der Graben-Gate-Struktur steuert.
  • Beispielsweise kann das Abschirmgebiet durch Teile des Body-Gebiets lateral begrenzt sein. Teile der Body-Gebiete, die an die Seitenwand einer Graben-Gate-Struktur grenzen, können beispielsweise Kanalgebiete definieren, deren Leitfähigkeit über ein an die Gate-Elektrode der Graben-Gate-Struktur angelegtes Potential gesteuert werden kann.
  • Der erste vertikale Abstand kann beispielsweise in einem Bereich von 101 % bis 150 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur zur ersten Oberfläche liegen. Als Alternative dazu oder zusätzlich kann eine Unterseite eines pn-Übergangs zwischen dem Abschirmgebiet und einer Driftstruktur einen vertikalen Abstand zur Unterseite der Graben-Gate-Struktur aufweisen, der zum Beispiel in einem Bereich von 10 nm bis 500 nm liegt. Dies kann eine Verbesserung hinsichtlich einer Verkleinerung von Abmessungen des Zellen-Layouts und Reduzierung des RonxA im Vergleich mit Zellen-Layouts mit tieferen Abschirmgebieten und SiO2-Gate-Dielektrika ermöglichen.
  • Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke ferner ein Driftgebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Stromspreizungsgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Das Stromspreizungsgebiet kann zwischen dem Driftgebiet und dem Body-Gebiet angeordnet sein und kann eine entlang einer vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets gemittelte Dotierungskonzentration aufweisen, die um einen von 10 bis 1000 reichenden Faktor größer als eine entlang einem Teil des Driftgebiets gemittelte Dotierungskonzentration ist. Der Teil des Driftgebiets kann an das Stromspreizungsgebiet grenzen und kann eine vertikale Erstreckung aufweisen, die der vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets entspricht. Das Stromspreizungsgebiet und das Driftgebiet können beispielsweise Teile einer Driftstruktur sein.
  • Die Graben-Gate-Strukturen können sich zum Beispiel parallel entlang einer longitudinalen Richtung erstrecken. Das Abschirmgebiet kann eine Vielzahl von Teilgebieten aufweisen, die entlang der longitudinalen Richtung voneinander beabstandet sind. Ein lateraler Abstand bzw. Zwischenraum zwischen den Teilgebieten entlang der longitudinalen Richtung kann beispielsweise konstant sein oder variieren. Desgleichen kann eine laterale Abmessung der Teilgebiete entlang der longitudinalen Richtung beispielsweise konstant sein oder variieren.
  • Ein vertikales Dotierungsprofil des Abschirmgebiets kann zum Beispiel so konfiguriert sein, dass ein Peak einer elektrischen Feldstärke bei 99 % der elektrischen Durchbruchspannung zwischen Lastelektroden, z. B. Source und Drain, der Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke bei oder nahe an einer Grenzfläche zwischen der Gate-Dielektrikumsstruktur und dem Halbleiterkörper an einer Unterseite oder Ecke der Graben-Gate-Struktur eingerichtet ist.
  • Die oben und unten beschriebenen Beispiele und Merkmale können kombiniert werden.
  • Einige der oben und unten genannten Beispiele werden in Verbindung mit einem Siliziumcarbid-Substrat beschrieben. Alternativ dazu kann ein Halbleitersubstrat mit breiter Bandlücke, z. B. ein Wafer mit breiter Bandlücke, verarbeitet werden, das z. B. ein von Siliziumcarbid verschiedenes Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke aufweist. Der Halbleiter-Wafer mit breiter Bandlücke kann eine größere Bandlücke als die Bandlücke von Silizium (1,12 eV) aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei dem Halbleiter-Wafer mit breiter Bandlücke um einen Siliziumcarbid-(SiC-)Wafer oder einen Galliumarsenid-(GaAs-)Wafer oder einen Galliumnitrid-(GaN-)Wafer handeln.
  • Mehr Details und Aspekte werden in Verbindung mit den oben oder unten beschriebenen Beispielen angeführt. Die Bearbeitung eines Halbleiter-Wafers mit breiter Bandlücke kann ein oder mehr optionale zusätzliche Merkmale umfassen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren oben oder unten beschriebenen Beispielen angeführt werden.
  • Die Beschreibung und Zeichnungen veranschaulichen nur die Prinzipien der Offenbarung. Darüber hinaus sind grundsätzlich alle hierin angeführten Beispiele ausdrücklich nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte zu helfen, die von dem (den) Erfinder(n) beigetragen werden, um den Stand der Technik voranzutreiben. Alle Aussagen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie deren spezifische Beispiele anführen bzw. beschreiben, sollen deren Äquivalente einschließen.
  • Im Folgenden werden weiteren Beispiele für Feldeffekttransistoren, FETs, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Funktionelle und strukturelle Details, die in Bezug auf die obigen Beispiele beschrieben wurden, gelten gleichermaßen für die beispielhaften Ausführungsformen, die in den Abbildungen veranschaulicht sind und weiter unten beschrieben werden. In den veranschaulichten Beispielen handelt es sich für einen n-Kanal-FET bei dem ersten Leitfähigkeitstyp um einen p-Typ und handelt es sich bei dem zweiten Leitfähigkeitstyp um einen n-Typ. Jedoch kann für einen p-Kanal-FET der erste Leitfähigkeitstyp auch ein n-Typ sein und kann der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ sein.
  • Details in Bezug auf Struktur oder Funktion oder technischen Nutzen von Merkmalen, die oben beschrieben wurden, gelten gleichermaßen für die Beispiele unten und umgekehrt.
  • 1A zeigt schematisch und beispielhaft eine partielle Querschnittsansicht eines aktiven Bereichs einer Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke. Die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke kann eine vertikale Leistungs-Halbleitervorrichtung sein, die ferner einen Randabschlussbereich enthält, der den aktiven Bereich zumindest teilweise umgibt (in 1A nicht veranschaulicht). Die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke enthält einen SiC-Halbleiterkörper 102, der eine erste Oberfläche 104 und eine entlang einer vertikalen Richtung y der ersten Oberfläche 104 entgegengesetzte zweite Oberfläche 106 aufweist. Eine Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen 108 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 104 in den Halbleiterkörper 102. Die Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen 108 umfasst eine Gate-Elektrodenstruktur 1081 und eine Gate-Dielektrikumsstruktur 1082, die zwischen der Gate-Elektrodenstruktur 1081 und dem Halbleiterkörper 102 angeordnet ist. Die Gate-Dielektrikumsstruktur 1082 enthält eine High-k-Dielektrikumsschicht 1083. Die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke enthält ferner eine Vielzahl von Mesa-Gebieten 110. Eine erste Seitenwand 1091 einer Graben-Gate-Struktur 108 der Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen 108 grenzt an ein erstes Mesa-Gebiet 1101 der Vielzahl von Mesa-Gebieten 110. Eine zweite Seitenwand 1092 der Graben-Gate-Struktur 108 grenzt an ein zweites Mesa-Gebiet 1102 der Vielzahl von Mesa-Gebieten 110. Das erste Mesa-Gebiet 1101 enthält ein an die erste Seitenwand 1091 grenzendes p-dotiertes Body-Gebiet 112. Das zweite Mesa-Gebiet 1102 enthält ein p-dotiertes Abschirmgebiet 114, und eine Unterseite 1141 des Abschirmgebiets 114 hat einen größeren ersten vertikalen Abstand zur ersten Oberfläche 104 als eine Unterseite 1121 des Body-Gebiets 112 im ersten Mesa-Gebiet 1101. Die Unterseite 1121 kann oberhalb einer Unterseite 1087 der Graben-Gate-Struktur 108 liegen, wie in 1A veranschaulicht ist, oder kann unterhalb der Unterseite 1087 liegen (in 1A nicht veranschaulicht). Das Abschirmgebiet kann entlang einer senkrecht zur Zeichnungsebene von 1A verlaufenden lateralen Richtung durchgängig sein oder kann in Abschirm-Teilgebiete unterteilt sein, die entlang der senkrecht zur Zeichnungsebene von 1A verlaufenden lateralen Richtung voneinander beabstandet sind. Ferner enthält das erste Mesa-Gebiet 1101 ein n+-dotiertes Source- oder Emitter-Gebiet 122, das an die erste Seitenwand 1091 grenzt. Die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke enthält ferner eine n-dotierte Driftstruktur 124 zwischen dem Body-Gebiet 112/Abschirmgebiet 114 und der zweiten Oberfläche 106. Die Driftstruktur 124 kann ein oder mehrere Teilgebiete enthalten, die sich in Bezug auf Dotierungskonzentration und vertikale Erstreckung beispielsweise unterscheiden (in 1A nicht veranschaulicht). Die Teilgebiete der Driftstruktur 124 können unter anderem ein n--dotiertes Driftgebiet und ein n-dotiertes Stromspreizungsgebiet zwischen dem Driftgebiet und der zweiten Oberfläche 106 enthalten. Ein n+-dotiertes Drain-Kontaktgebiet (für MOSFETs mit breiter Bandlücke) oder ein p+-dotiertes Kollektor-Gebiet (für IGBTs mit breiter Bandlücke) ist zwischen der Driftstruktur 124 und der zweiten Oberfläche 106 angeordnet (in 1A nicht veranschaulicht).
  • Eine erste Lastelektrode L1 ist über die erste Oberfläche 104 des Halbleiterkörpers 102 mit breiter Bandlücke mit dem Source-Gebiet 122, dem Abschirmgebiet 114 und dem Body-Gebiet 112 elektrisch verbunden. Eine zweite Lastelektrode L2 ist über die zweite Oberfläche 106 des Halbleiterkörpers 102 mit der Driftstruktur 124 elektrisch verbunden. Eine Sperrspannung der Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke zwischen den ersten und zweiten Lastelektroden L1, L2 kann beispielsweise durch eine Durchbruchspannung eines pn-Übergangs zwischen dem Abschirmgebiet 112 und der Driftstruktur 124 bestimmt werden.
  • Die erste Lastelektrode L1 und die Gate-Elektrodenstruktur 1081 sind mittels eines Zwischen-Dielektrikums 126 elektrisch isoliert.
  • Im Beispiel von 1A enthält die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke ein Kanalgebiet an einer Seitenwand von gegenüberliegenden Seitenwänden der Graben-Gate-Strukturen 108. Das Kanalgebiet wird durch einen Teil des Body-Gebiets 112 definiert, der an die Graben-Gate-Struktur 108 grenzt.
  • 1B zeigt schematisch und beispielhaft eine partielle Querschnittsansicht eines aktiven Bereichs eines anderen Beispiels einer Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke, die ein Kanalgebiet an gegenüberliegenden Seitenwänden der Graben-Gate-Struktur 108 aufweist. Im in 1B veranschaulichten Beispiel enthält das zweite Mesa-Gebiet 1102 das an die zweite Seitenwand 1092 der Graben-Gate-Struktur 108 grenzende Body-Gebiet 112.
  • Um eine gewünschte Stromtragfähigkeit der in 1A und 1B veranschaulichten Halbleitervorrichtungen 100 mit breiter Bandlücke zu realisieren, kann die Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke durch eine Vielzahl parallel geschalteter Zellen 1001 von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke gestaltet werden. Die parallel geschalteten Zellen 1001 von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke können beispielsweise in der Form eines Streifens oder Streifensegments ausgebildete Zellen von Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke sein.
  • 2A bis 2C zeigen schematisch und beispielhaft partielle Querschnittsansichten, um Beispiele der zwischen dem Body-Gebiet 112 und der Graben-Gate-Struktur 1081 angeordneten Gate-Dielektrikumsstruktur 1082 zu veranschaulichen.
  • Bezugnehmend auf die Querschnittsansicht von 2A besteht die Gate-Dielektrikumsstruktur 1082 zwischen dem Body-Gebiet 112 und der Gate-Elektrodenstruktur 1081 aus der High-k-Dielektrikumsschicht 1083.
  • Bezugnehmend auf die Querschnittsansicht von 2B umfasst die Gate-Dielektrikumsstruktur 1082 zwischen dem Body-Gebiet 112 und der Gate-Elektrodenstruktur 1081 die High-k-Dielektrikumsschicht 1083 und eine zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 und dem Body-Gebiet 112 angeordnete erste Dielektrikumsschicht 1084. Die erste Dielektrikumsschicht 1084 kann eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist. Beispielsweise kann die erste Dielektrikumsschicht 1084 zumindest eines von beispielsweise SiO2, AlN oder Si3N4 enthalten. Die erste Dielektrikumsschicht 1084 kann beispielsweise eine erste SiO2-Schicht sein. Eine Dicke t0 der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 kann um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer sein als eine erste Dicke t1 der ersten Dielektrikumsschicht 1084. Eine Grenzfläche 130 zwischen der ersten SiO2-Schicht 1084 und dem Halbleiterkörper 102, z. B. SiC, kann mittels Stickstoff passiviert werden.
  • Bezugnehmend auf die Querschnittsansicht von 2C umfasst die Gate-Dielektrikumsstruktur 1082 zwischen dem Body-Gebiet 112 und der Gate-Elektrodenstruktur 1081 zusätzlich zu der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 und der zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 und dem Body-Gebiet 112 angeordneten ersten Dielektrikumsschicht 1084 eine zweite Dielektrikumsschicht 1085, die zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 und der Gate-Elektrodenstruktur 1081 angeordnet ist. Die zweite Dielektrikumsschicht 1085 kann eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist. Beispielsweise kann die zweite Dielektrikumsschicht 1085 zumindest eines von beispielsweise SiO2, AlN oder Si3N4 enthalten. Die Dicke der High-k-Dielektrikumsschicht 1083 kann um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer als jede einzelne Dielektrikumsschicht mit geringerer Permittivität oder die Summe, z. B. größer als die erste Dicke t1 der ersten SiO2-Schicht 1084 oder eine zweite Dicke t2 der zweiten SiO2-Schicht 1085 oder deren Summe, sein.
  • 3 zeigt schematisch und beispielhaft eine partielle Querschnittsansicht eines aktiven Bereichs einer Halbleitervorrichtung 100 mit breiter Bandlücke, um beispielhafte Teilgebiete der Driftstruktur 124 zu veranschaulichen. Die Driftstruktur 124 kann ein n--dotiertes Driftgebiet 1241 und ein n-dotiertes Stromspreizungsgebiet 1242 umfassen. Das Stromspreizungsgebiet 1242 ist zwischen dem Driftgebiet 1241 und dem Body-Gebiet 112 angeordnet und hat eine entlang einer vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets 1242 gemittelte Dotierungskonzentration, die z. B. um einen von 10 bis 1000 reichenden Faktor größer ist als eine entlang einem Teil des Driftgebiets 1241 gemittelte Dotierungskonzentration. Der Teil des Driftgebiets 1241 kann an das Stromspreizungsgebiet 1242 grenzen und kann zum Beispiel eine der vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets 1242 entsprechende vertikale Erstreckung aufweisen. Die Driftstruktur 124 kann ferner ein n-dotiertes Puffergebiet 1243 zwischen dem Driftgebiet 1241 und der zweiten Oberfläche 106 enthalten. Die Driftstruktur 124 ist über ein n+-dotiertes Drain-Kontaktgebiet 128 an der zweiten Oberfläche 106 mit der zweiten Lastelektrode L2, z. B. einer Drain-Elektrode, elektrisch verbunden.
  • Die zusammen mit einem oder mehreren der vorher beschriebenen Beispiele und Abbildungen erwähnten und beschriebenen Aspekte und Merkmale können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzuführen.

Claims (19)

  1. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Brandlücke, aufweisend: einen Halbleiterkörper (102), der eine erste Oberfläche (104) und eine entlang einer vertikalen Richtung (y) der ersten Oberfläche (104) entgegengesetzte zweite Oberfläche (106) aufweist; eine Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen (108), die sich von der ersten Oberfläche (104) in den Halbleiterkörper (102) erstrecken, wobei die Vielzahl von Graben-Gate-Strukturen (108) eine Gate-Elektrodenstruktur (1081) und eine zwischen der Gate-Elektrodenstruktur (1081) und dem Halbleiterkörper (102) angeordnete Gate-Dielektrikumsstruktur (1082) enthält, wobei die Gate-Dielektrikumsstruktur (1082) eine High-k-Dielektrikumsschicht (1083) enthält; eine Vielzahl von Mesa-Gebieten (110), wobei eine erste Seitenwand (1091) einer Graben-Gate-Struktur (108) der Vielzahl von Gate-Graben-Strukturen (108) an ein erstes Mesa-Gebiet (1101) der Vielzahl von Mesa-Gebieten (110) grenzt und eine zweite Seitenwand (1092) der Graben-Gate-Struktur (108) an ein zweites Mesa-Gebiet (1102) der Vielzahl von Mesa-Gebieten (110) grenzt, wobei das erste Mesa-Gebiet (1101) ein Body-Gebiet (112) eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, das an die erste Seitenwand (1091) grenzt; und das zweite Mesa-Gebiet (1102) ein Abschirmgebiet (114) des ersten Leitfähigkeitstyps enthält und eine Unterseite (1141) des Abschirmgebiets (114) einen größeren ersten vertikalen Abstand zur ersten Oberfläche (104) als eine Unterseite (1121) des Body-Gebiets (112) im ersten Mesa-Gebiet (1101) aufweist und wobei die Gate-Dielektrikumsstruktur (1082) ferner eine zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) und dem Body-Gebiet (112) angeordnete erste Dielektrikumsschicht (1084) enthält, wobei die erste Dielektrikumsschicht (1084) eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist.
  2. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Dielektrikumsschicht (1084) eine erste SiO2-Schicht ist und eine Dicke (t0) der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer ist als eine erste Dicke (t1) der ersten Dielektrikumsschicht (1084).
  3. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Grenzfläche zwischen der ersten SiO2-Schicht und dem Halbleiterkörper (102) mittels Stickstoff passiviert ist.
  4. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Dicke (t1) von 1 nm bis 10 nm reicht.
  5. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach Anspruch 3, wobei die erste Dicke (t1) kleiner als 1 nm ist.
  6. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dielektrikumsstruktur (1082) ferner eine zwischen der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) und der Graben-Gate-Struktur (1081) angeordnete zweite Dielektrikumsschicht (1085) enthält, wobei die zweite Dielektrikumsschicht (1085) eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die kleiner als die Dielektrizitätskonstante der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) ist und gleich der oder größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 ist.
  7. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Dielektrikumsschicht eine zweite SiO2-Schicht ist und eine Dicke (t0) der High-k-Dielektrikumsschicht (1083) um einen von 2 bis 200 reichenden Faktor größer als jede einer ersten Dicke (t1) der ersten SiO2-Schicht (1084) oder einer zweiten Dicke (t2) der zweiten SiO2-Schicht (1085) oder einer Summe der ersten Dicke und der zweiten Dicke ist.
  8. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die High-k-Dielektrikumsschicht (1083) zumindest eines von Al2O3, ZrO2, HfO2, AlN, Alumosilikat AlSiOx, mit Silizium dotiertes HfO2, TiO2, Y2O3 oder Si3N4 enthält.
  9. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschirmgebiet (114) an zumindest einen Teil der zweiten Seitenwand (1092) und einen Teil einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur (108) grenzt und der erste vertikale Abstand in einem Bereich von 101 % bis 150 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite (1087) der Graben-Gate-Struktur (108) zur ersten Oberfläche (104) liegt.
  10. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Abschirmgebiet (114) an zumindest einen Teil der zweiten Seitenwand (1092) grenzt und der erste vertikale Abstand in einem Bereich von 60 % bis 100 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite (1087) der Graben-Gate-Struktur (108) zur ersten Oberfläche (104) liegt.
  11. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem vertikalen Niveau einer Unterseite eines Source-Gebiets (122) des zweiten Leitfähigkeitstyps eine Breite des Abschirmgebiets (114) in einem Bereich von 60 % bis 90 % einer Breite des zweiten Mesa-Gebiets (1102) liegt.
  12. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Mesa-Gebiet (1102) das an die zweite Seitenwand (1092) der Graben-Gate-Struktur (108) grenzende Body-Gebiet (112) enthält.
  13. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Abschirmgebiet (114) durch Teile des Body-Gebiets (112) lateral begrenzt ist.
  14. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste vertikale Abstand in einem Bereich von 101 % bis 110 % eines zweiten vertikalen Abstands von einer Unterseite (1087) der Graben-Gate-Struktur (108) zur ersten Oberfläche (104) liegt.
  15. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Driftgebiet (1241) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Stromspreizungsgebiet (1242) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei das Stromspreizungsgebiet (1242) zwischen dem Driftgebiet (1241) und dem Body-Gebiet (112) angeordnet ist und eine entlang einer vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets (1242) gemittelte Dotierungskonzentration aufweist, die um einen von 10 bis 1000 reichenden Faktor größer als eine entlang einem Teil des Driftgebiets (1241) gemittelte Dotierungskonzentration ist, wobei der Teil des Driftgebiets (1241) an das Stromspreizungsgebiet (1242) grenzt und eine der vertikalen Erstreckung des Stromspreizungsgebiets (1242) entsprechende vertikale Erstreckung aufweist.
  16. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Graben-Gate-Strukturen (108) parallel entlang einer longitudinalen Richtung erstrecken und das Abschirmgebiet (114) eine Vielzahl von entlang der longitudinalen Richtung voneinander beabstandeten Teilgebieten aufweist.
  17. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (102) ein Halbleiterkörper aus 4H-SiC ist.
  18. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vertikales Dotierungsprofil des Abschirmgebiets (114) so konfiguriert ist, dass ein Peak einer elektrischen Feldstärke bei 99 % einer elektrischen Durchbruchspannung zwischen Lastelektroden (L1, L2) der Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke bei oder nahe einer Grenzfläche zwischen der Gate-Dielektrikumsstruktur (1082) und dem Halbleiterkörper (102) an einer Unterseite der Graben-Gate-Struktur (108) eingerichtet ist.
  19. Halbleitervorrichtung (100) mit breiter Bandlücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Graben-Gate-Elektrodenstruktur (1081) ein Metall oder eine Metallverbindung enthält.
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