DE112012000615T5 - SiC-Bipolartransistor mit überwachsenem Emitter - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt werden neue Designs für Siliziumkarbidbipolartransistoren (SiC-BJTen) sowie neue Verfahren zur Herstellung derartiger SiC-BJTen. Der SiC-BJT umfasst einen Kollektorbereich (220), einen Basisbereich (240) und einen Emitterbereich (260), die als Stapel angeordnet sind. Der Emitterbereich bildet eine erhöhte Struktur, die durch äußere Seitenwände (265) oberhalb des Stapels festgelegt ist. Der Abschnitt des Basisbereiches, der eine Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, legt den intrinsischen Basisbereich (245) fest. Des Weiteren umfasst der intrinsische Basisbereich einen ersten Abschnitt (246), der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt (247) beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist. Die vorliegende Erfindung ist dahingehend von Vorteil, dass SiC-BJTEn mit verbesserten Sperreigenschaften und weiterhin ausreichend hoher Stromverstärkung bereitgestellt werden.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Hochleistungshalbleitervorrichtungstechnologie und insbesondere Siliziumkarbidbipolartransistoren hoher Leistung. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem Verfahren zur Herstellung derartiger Siliziumkarbidbipolartransistoren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Siliziumkarbidbipolartransistoren (Silicon Carbide Bipolar Junction Transistors, SiC-BJTen) sind Leistungsvorrichtungen mit hohem Leistungsvermögen, die einen niedrigen Ein-Zustand (on-state) und Schaltverluste aufweisen und zu einem Hochtemperaturbetrieb infolge eines hohen elektrischen Durchschlagsfeldes, einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einer hohen Sättigungsdriftgeschwindigkeit von Elektronen in SiC in der Lage sind. SiC ist ein eine breite Bandlücke aufweisender Halbleiter und kann vorteilhafterweise zur Herstellung von Vorrichtungen für Anwendungen mit hoher Leistung, hoher Temperatur und hoher Frequenz eingesetzt werden.
  • Bei einem Hochleistungsbipolartransistor (BJT), der einen Kollektorbereich, einen Basisbereich und einen Emitterbereich umfasst, sind die kritischen Kenngrößen, die das Leistungsvermögen des BJT darstellen, die gemeinsame Emitterstromverstärkung, der spezifische Ein-Widerstand und die Durchschlagsspannung. Für eine spezifische Dotierkonzentration ist der Basisbereich des BJT vorzugsweise möglichst dünn ausgebildet, um eine hohe Stromverstärkung zu erhalten. Die minimale Dicke des Basisbereiches ist jedoch durch den Basis-Punch-Through-Effekt begrenzt, der eine vollständige Verarmung bzw. Entleerung (depletion) des Basisbereiches bei einer hohen Kollektorvorspannung darstellt. Im Zusammenhang mit der Dotierung der Basisschicht erfordert demgegenüber ein hohes Durchschlagsfeld ein hohes Dotierniveau in dem Basisbereich des BJT, um einem Punch-Through früh vorzubeugen, wohingegen ein hohes Dotierniveau in dem Basisbereich die Emitterstromverstärkung senkt, was ein Nachteil bei der praktischen Anwendung ist. Ein Nachteil von SiC-BJTen aus dem Stand der Technik besteht daher darin, dass sie nicht gleichzeitig eine ausreichend hohe Emitterstromverstärkung und eine ausreichend hohe Sperrspannung bereitstellen.
  • Eine weitere Beschränkung der SiC-Bipolartechnologie rührt von der Oberflächenrekombination her, die die erreichbare Emitterstromverstärkung begrenzt. Des Weiteren ist die Oberflächenrekombination eine Frage der möglichen Stabilität, da sich die Grenzflächeneigenschaften mit der Zeit unter den Bedingungen einer Minoritätsträgerinjektion verschlechtern könnten.
  • Es besteht daher Bedarf an der Bereitstellung von neuen Designs von SiC-BJTen sowie von neuen Verfahren zur Herstellung derartiger BJTen, die wenigstens einige der vorbesprochenen Nachteile beheben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Behebung wenigstens einiger der vorbesprochenen Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik und in der Bereitstellung einer verbesserten Alternative zu SiC-BJTen aus dem Stand der Technik.
  • Allgemein besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines SiC-BJT mit verbesserten Sperreigenschaften bei weiterhin gegebener Bereitstellung einer ausreichenden Stromverstärkung. Des Weiteren besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung von Verfahren zum Herstellen eines derartigen SiC-BJT.
  • Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen SiC-BJT, eine Einheitszelle einer Leistungshalbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen SiC-BJT (oder einer Einheitszelle) gemäß Definition in den unabhängigen Ansprüchen erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
  • Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Siliziumkarbidbipolartransistor (SiC-BJT) bereitgestellt. Der SiC-BJT umfasst einen Kollektorbereich, einen Basisbereich und einen Emitterbereich, die als Stapel angeordnet sind. Der Emitterbereich bildet eine erhöhte Struktur, die durch äußere Seitenwände oberhalb des Stapels bzw. oben auf dem Stapel festgelegt ist. Der Abschnitt des Basisbereiches, der eine Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, legt den intrinsischen Basisbereich fest. Des Weiteren umfasst der intrinsische Basisbereich einen ersten Abschnitt, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  • Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines SiC-BJT bereitgestellt, der einen Kollektorbereich, einen Basisbereich und einen Emitterbereich beinhaltet, die als Stapel angeordnet sind. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Bereitstellens einer Basisschicht auf einer Kollektorschicht und eines Bereitstellens eines Emitterbereiches oberhalb der Basisschicht. Der Emitterbereich bildet eine erhöhte Struktur, die durch äußere Seitenwände festgelegt ist, wobei der Abschnitt der Basisschicht, der eine Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, den intrinsischen Basisbereich (des Basisbereiches) festlegt. Der intrinsische Basisbereich umfasst einen ersten Abschnitt, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  • Es ist sollte einsichtig sein, dass die Kollektor- und Basisschichten die Kollektor- beziehungsweise Basisbereiche des SiC-BJT bilden.
  • Entsprechend einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einheitszelle einer Leistungshalbleitervorrichtung bereitgestellt. Die Leistungshalbleitervorrichtung umfasst einen ersten Bereich, der einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, einen zweiten Bereich, der einen zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und einen dritten Bereich, der den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei der erste Bereich, der zweite Bereich und der dritte Bereich als Stapel angeordnet sind. Der dritte Bereich bildet eine erhöhte Struktur, die durch äußere Seitenwände oberhalb des Stapels angeordnet ist, wohingegen der Abschnitt des zweiten Bereiches, der eine Grenzfläche zu dem dritten Bereich bildet, einen aktiven Bereich des dritten Bereiches festlegt. Der aktive Bereich umfasst einen ersten Abschnitt, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des dritten Bereiches durch einen zweiten Abschnitt beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches (oder aktiver Bereich) vorteilhafterweise seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches (oder dritten Bereiches) durch einen zweiten Abschnitt (oder Beabstandungsabschnitt/Bereich), der eine höhere Dotiermitteldosis aufweist, beabstandet sein kann. Man hat bei der vorliegenden Erfindung erkannt, dass bei SiC-BJTen aus dem Stand der Technik der Punch-Through-Effekt in dem Basisbereich prinzipiell in der Zone entstehen kann, in der die Kanten des intrinsischen Basisbereiches und die äußeren Seitenwände des Emitterbereiches zusammenfallen. Durch Bereitstellen eines zweiten Abschnittes (oder Beabstandungsabschnittes), der im Vergleich zu dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches eine hohe Dotiermitteldosis aufweist, wird der Punch-Through-Effekt verringert. Bei der vorliegenden Erfindung schneidet der erste Abschnitt des intrinsischen Bereiches, wobei der erste Abschnitt als der aktive Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches bezeichnet werden kann, die äußeren Seitenwände des Emitterbereiches nicht, wobei der Punch-Through-Effekt (beispielsweise infolge eines Überätzens des Emitterbereiches wie bei BJTen aus dem Stand der Technik) gefördert wird. Durch seitliches Beabstanden des eine niedrige Dosis aufweisenden intrinsischen Basisbereiches (das heißt des ersten Bereiches) um einen gewissen Abstand von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches (definiert durch Ätzen in einer Emitterschicht) wird eine verbesserte Sperrspannung erreicht. Die seitlichen Grenzen des ersten Abschnittes fallen nicht mit den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches zusammen. Während des Betriebes (beispielsweise bei Anliegen einer Vorspannung) weist der SiC-BJT der vorliegenden Erfindung eine höhere Ladung in dem zweiten Abschnitt als in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches auf.
  • Es sollte einsichtig sein, dass die Basisschicht eines SiC-BJT normalerweise durch zwei Bereiche festgelegt ist, nämlich den intrinsischen Basisbereich mit Bildung einer Grenzfläche zu dem Emitterbereich (oder mit Deckelung hierdurch) und den extrinsischen Basisbereich, der nicht durch den Emitterbereich gedeckelt ist. Die äußeren Seitenwände des Emitterbereiches legen die Grenzschranken zwischen diesen beiden Bereichen fest.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches dünner als wenigstens der zweite Abschnitt und vorzugsweise als der verbleibende Teil des Basisbereiches (das heißt des Teiles des Basisbereiches, der nicht der erste Abschnitt ist) sein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches durch Bereitstellen (beispielsweise durch Ätzen) einer Senke (well) in einer Basisschicht bereitgestellt werden, die ein vergleichsweise gleichmäßiges Dotierniveau aufweist. Wird die Dicke der Basisschicht in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches verringert, was normalerweise dem mittleren Abschnitt (oder Hauptabschnitt) des intrinsischen Basisbereiches entspricht, so ist die Dotiermitteldosis (das heißt das Integral des Dotierniveaus oder der Dotierkonzentration über die Dicke) in dem ersten Abschnitt niedriger als in dem zweiten Abschnitt. Es sollte einsichtig sein, dass die Emitterschicht sodann beispielsweise durch epitaktische Aufbringung derart gebildet wird, dass das Material über der Senke mit Ausbildung in der Basisschicht und dem nicht geätzten Teil der Basisschicht aufgebracht wird, wodurch ein darüber aufgewachsener (overgrown) Emitter in der der Senke entsprechenden Fläche bereitgestellt wird. Der Emitterbereich und die äußeren Seitenwände des Emitterbereiches werden sodann durch einen nachfolgenden Ätzschritt gebildet.
  • Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der zweite Abschnitt eine Dotierkonzentration aufweisen, die höher als die Dotierkonzentration des ersten Abschnittes ist, was eine alternative Art der Bereitstellung einer sich vergrößernden Dotiermitteldosis in dem zweiten Abschnitt darstellt. Im Ergebnis weist der zweite Abschnitt eine Dotiermitteldosis auf, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist, wodurch der Punch-Through-Effekt verringert und die Sperreigenschaften des SiC-BJT verbessert werden. Des Weiteren kann der Teil des Basisbereiches, der nicht der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches ist, das heißt der zweite Abschnitt und der extrinsische Basisbereich (der als Teil des Basisbereiches festgelegt ist, der keine Grenze zu dem Emitterbereich bildet oder, mit anderen Worten, hierdurch gedeckelt wird) eine Dotierkonzentration aufweisen, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann sich der Abschnitt des Basisbereiches, der eine höhere Dotiermitteldosis aufweist und den zweiten Abschnitt beinhaltet, seitlich in dem Abschnitt des Basisbereiches außerhalb von (das heißt ungleich) dem intrinsischen Basisbereich (das heißt in dem extrinsischen Basisbereich der Teil des Basisbereiches ohne Deckelung durch den Emitterbereich) erstrecken.
  • Es sollte einsichtig sein, dass im Zusammenhang mit den drei vorhergehenden Ausführungsbeispielen das Bereitstellen einer Dotiermitteldosis in dem extrinsischen Basisbereich, die höher als die Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches ist, dahingehend von Vorteil ist, dass sodann eine vergrößerte Ladung in dem extrinsischen Basisbereich während des Betriebes erhalten wird, was die Sperrspannungseigenschaften weiter verbessert, während eine ausreichend hohe Stromverstärkung erhalten bleibt. Im Gegensatz hierzu weisen SiC-BJTen aus dem Stand der Technik eine niedrigere Dotiermitteldosis in dem extrinsischen Basisbereich als in dem intrinsischen Basisbereich infolge der Erfordernis eines Überätzens des Emitterbereiches (oder der Emittermesa) auf. Des Weiteren wird bei SiC-BJTen aus dem Stand der Technik eine zusätzliche Ladung aus dem extrinsischen Basisbereich infolge der festen Ladung in einem Oxid entfernt, das an den Kanten des Emitterbereiches vorgesehen ist. Eine nicht ausreichende Ladung in dem extrinsischen Basisbereich, wie dies bei SiC-BJTen aus dem Stand der Technik der Fall ist, führt zu einem vergrößerten Basiswiderstand wie auch zu einem frühen Punch-Through des extrinsischen Basisbereiches, und zwar insbesondere dann, wenn die Dotiermitteldosis in der Basis niedrig gehalten wird, um so eine hohe Emitterstromverstärkung zu erreichen. Damit verbessert das „Erstrecken des zweiten Abschnittes„ in dem extrinsischen Basisbereich, das heißt das Bereitstellen einer Dotiermitteldosis in dem extrinsischen Basisbereich, die höher als die Dotiermitteldosis in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches ist, den SiC-BJT hinsichtlich des Basiswiderstandes und der Sperreigenschaften weiter.
  • Des Weiteren erleichtert das Bereitstellen eines extrinsischen Basisbereiches, der ein hohes Dotierniveau aufweist (wenigstens höher als in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches) das Bilden eines ohmschen Kontaktes zu dem Basisbereich.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann die Bedeckungsfläche des zweiten Abschnittes in dem intrinsischen Basisbereich bis zu etwa 50% (das heißt, man darf 50% nicht überschreiten) sein und/oder die Breite des zweiten Abschnittes ist in dem Bereich von etwa 0,5 bis 5 μm.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Basisbereich zwei Schichten umfassen, nämlich eine erste Schicht, die eine Grenzfläche zu dem Kollektorbereich bildet, und eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht (das heißt, die zweite Schicht ist an der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht relativ zu dem Kollektorbereich angeordnet). Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Dotierniveau der ersten Schicht niedriger als das Dotierniveau der zweiten Schicht, und die zweite Schicht umfasst eine Senke, die sich in einer Richtung zu (und vorzugsweise durchweg hinab zu) der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches erstreckt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der erste Abschnitt dem Abschnitt der ersten Schicht mit Anordnung unter der in dem zweiten Schicht gebildeten Senke. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass es eine Schicht mit einem höheren Dotierniveau oberhalb der extrinsischen Basisschicht bereitstellt, wodurch die Herstellung eines ohmschen Kontaktes zu dem Basisbereich erleichtert und der Ein-Reihenwiderstand (on-series resistance) in dem SiC-BJT verringert wird. Der SiC-BJT gemäß Definition in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann vorteilhafterweise entsprechend dem nachfolgenden Herstellungsverfahren hergestellt werden.
  • Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Bereitstellens einer Basisschicht beinhalten: die Schritte eines Bereitstellens einer ersten Schicht auf der Kollektorschicht, eines Bereitstellens einer zweiten Schicht oberhalb der ersten Schicht und eines in der zweiten Schicht erfolgendes Bildens einer Senke, die sich in Richtung zu der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des Basisbereiches in der ersten Schicht (beispielsweise zur Festlegung der Breite, Länge und/oder Fläche des ersten Abschnittes) erstreckt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Dotierniveau der ersten Schicht niedriger als das Dotierniveau der zweiten Schicht. Des Weiteren beinhaltet der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches weiter den Schritt des Ausrichtens des Emitterbereiches oberhalb der zweiten Schicht derart, dass der zweite Abschnitt Material der zweiten Schicht beinhaltet. Mit anderen Worten, der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches ist seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt, der Material der zweiten Schicht beinhaltet, beabstandet.
  • Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Basisbereich eine Schicht umfassen, die ein Dotierniveau aufweist, das stufenartig (in a stepwise manner) und/oder auf gestaffelte Weise (in a graded manner) entlang einer Richtung von dem Kollektorbereich zu dem Emitterbereich zunimmt. Des Weiteren kann die Schicht eine Senke zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches umfassen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass eine gestaffelte Basisdotierung die Stromverstärkung infolge des Ziehens von Minoritätsträgern, die durch das eingebaute elektrische Feld induziert werden, vergrößert. Des Weiteren ist das vorliegende Ausführungsbeispiel auch dahingehend von Vorteil, dass eine Schicht mit einem höheren Dotierniveau oberhalb des extrinsischen Basisbereiches bereitgestellt wird, wodurch die Herstellung eines ohmschen Kontaktes zu dem Basisbereich vereinfacht und der Ein-Reihenwiderstand in dem SiC-BJT verringert wird. Es sollte einsichtig sein, dass sich die Senke hinab zu einer Dicke, die die gewünschte Dotiermitteldosis in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches bereitstellt, oder auch hinab zu einer Dicke, die einem gewünschten Dotierniveau des ersten Abschnittes an der Grenzfläche zu dem Emitterbereich entspricht, erstrecken kann. Der erste Abschnitt entspricht dem Abschnitt der Basisschicht mit Anordnung unter der in der Basisschicht gebildeten Senke. Der SiC-BJT gemäß Definition beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird vorteilhafterweise entsprechend dem nachfolgenden Herstellungsverfahren hergestellt.
  • Im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Basisschicht ein Dotierniveau aufweisen, das stufenartig und/oder auf gestaffelte Weise von der Seite des Basisbereiches mit Bildung einer Grenzfläche zu dem Kollektorbereich hin zu den Emitterbereich vergrößert wird. Das Verfahren kann sodann des Weiteren den Schritt des Bildens einer Senke in der Basisschicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des Basisbereiches (beispielsweise ein Festlegen der Breite, Länge und/oder Fläche des ersten Abschnittes) beinhalten. Des Weiteren kann der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches den Schritt des Ausrichtens des Emitterbereiches oberhalb der Basisschicht derart, dass der zweite Abschnitt Material mit einem höheren Dotierniveau als dasjenige des ersten Abschnittes beinhaltet, beinhalten. Im Ergebnis ist der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt beabstandet, der Material mit einem höheren Dotierniveau als dasjenige des ersten Abschnittes beinhaltet.
  • Man beachte, dass bei den SiC-BJTen entsprechend den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die in der Basisschicht gebildete Senke Material der Emitterschicht nach dem Bereitstellen (beispielsweise durch epitaktische Aufbringung) der Emitterschicht oberhalb der Basisschicht umfasst.
  • Entsprechend wieder einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Basisschicht zwei Schichten umfassen, nämlich eine erste Schicht, die eine Grenzfläche zu dem Kollektorbereich bildet und in der eine Senke zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches gebildet ist, und eine zweite Schicht, die oberhalb der ersten Schicht zur Bildung einer Grenzfläche zu dem Emitterbereich angeordnet ist (das heißt, die zweite Schicht ist an der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht relativ zu dem Kollektorbereich angeordnet). Des Weiteren ist das Dotierniveau der ersten Schicht höher als das Dotierniveau der zweiten Schicht. Einer der Vorteile des Designs des SiC-BJT entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht in der Möglichkeit einer genaueren Steuerung bzw. Regelung des Dotierniveaus und der Dicke des (eine niedrige Dosis aufweisenden) ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches, da die Bereitstellung (beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen) der niedrig dotierten Basisschicht von der Bereitstellung (beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen) der Emitterschicht (das heißt, ohne die Notwendigkeit des Bildens einer Senke genau vor dem Aufwachsen der Emitterschicht) gefolgt sein kann. Es sollte einsichtig sein, dass sich die in der ersten Schicht gebildete Senke nicht notwendigerweise hinunter zu dem Kollektorbereich erstrecken muss, sondern dass ein Abschnitt der ersten Schicht übrigbleiben kann. In letztgenanntem Fall (das heißt, wenn ein Abschnitt der ersten Schicht übrig ist) umfasst die Gesamtladung in dem ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches die Ladung von dem Abschnitt der ersten Schicht, die unterhalb des Bodens bzw. der Unterseite der Senke übrig ist, und die Ladung, die durch die zweite Schicht, das heißt die darüber aufgewachsene Basisschicht, bereitgestellt wird. Der SiC-BJT gemäß Definition beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird vorteilhafterweise entsprechend dem nachfolgenden Herstellungsverfahren hergestellt.
  • Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Bereitstellens einer Basisschicht beinhalten: die Schritte des Bereitstellens einer ersten Schicht auf der Kollektorschicht, des Bildens einer Senke in der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des Basisbereiches (beispielsweise Festlegen der Breite, Länge und/oder Fläche des ersten Abschnittes) und Bereitstellens einer zweiten Schicht oberhalb der ersten Schicht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Dotierniveau der ersten Schicht höher als das Dotierniveau der zweiten Schicht. Des Weiteren beinhaltet der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches den Schritt des Ausrichtens des Emitterbereiches oberhalb der zweiten Schicht derart, dass der zweite Abschnitt Material der ersten Schicht beinhaltet. Mit anderen Worten, der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches ist seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt, der Material der ersten Schicht beinhaltet, beabstandet.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der zweite Abschnitt oder Beabstandungsbereich (mit einer höheren Dotiermitteldosis) als Streifen ausgebildet sein, die sich längsläufig von einer äußeren Seitenwand des Emitterbereiches hin zu einer entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seitenwand des Emitterbereiches erstrecken. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass es einen Emitterstrom-Crowding-Effekt unterdrückt oder wenigstens verringert, während ein breiter Emitterstreifen weiterhin verwendet werden kann. Im Allgemeinen weist das Vergrößern der Breite des Emitterbereiches zum Verbessern der Verstärkung und Stabilität in einem BJT den Nachteil des Vergrößerns des Ein-Zustandswiderstandes und des Verringerns der Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung auf. Die Kollektorstromdichte (beziehungsweise das Seitenprofil hiervon) in einem BJT beruht auf dem sogenannten Emitterstrom-Crowding-Effekt, bei dem bei hohen Stromniveaus die Emitterstromdichte schnell von der Kante (oder den äußeren Seitenwänden) des Emitterbereiches hin zur Mitte des Emitterbereiches (oder Streifens) abnimmt. In diesem Fall wird der Beitrag des mittleren Teiles des Emitterbereiches (oder der Mesa) zu dem Kollektorstrom stark verringert. Eine Standardlösung zur Verringerung des Emitterstrom-Crowding-Effektes besteht in der Verringerung des Vorrichtungsnennrasters (device pitch), das heißt der Größe (und insbesondere der Breite) des Emitterbereiches. Gleichwohl vergrößert bei SiC das Verringern der Vorrichtungsnennweite (device pitch) eine Oberflächenrkombination (da das Verhältnis des Umfangs zur Vorrichtungsfläche zunimmt), da die Grenzfläche von SiC zu beschichtenden dielektrischen Materialien nicht so günstig wie beispielsweise diejenige von Silizium zu Siliziumdioxid ist. Eine Zunahme der Oberflächenrekombination ist von Nachteil, da sie die Verstärkung des BJT verringert und dessen Stabilität verschlechtert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Streifen oder „Finger” mit Bildung in dem eine hohe Dosis aufweisenden Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches (das heißt des zweiten Abschnittes) dahingehend von Vorteil, dass sie den Emitterstrom-Crowding-Effekt ohne die Notwendigkeit einer Verringerung der Größe des Emitterbereiches verringern.
  • Es sollte einsichtig sein, dass sich die eine hohe Dosis aufweisenden Basisfinger seitlich entlang einer Richtung erstrecken können, die im Wesentlichen senkrecht zu den äußeren Seitenwänden der Emittermesa ist. Der zweite Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches kann daher als schmaler und länglicher Streifen (oder als Satz von schmalen und länglichen Streifen, was in der Detailbeschreibung nachstehend noch exemplarisch ausgeführt wird) bereitgestellt werden.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann der Stapel auf einem Substrat bereitgestellt werden, das eine off-axis-Orientierung aufweist, die in dem Bereich von etwa 2 bis 4° umfasst ist. Des Weiteren kann der SiC-BJT eine Defektaufhalteschicht (Defect Termination Layer DTL) umfassen, die zwischen dem Substrat und dem Kollektorbereich angeordnet ist. Eine DTL kann eine Dicke, die in dem Bereich von 12 bis 30 μm umfasst ist, und ein Dotierniveau, das in dem Bereich von 3 × 1018 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 umfasst ist, aufweisen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass es die Stabilität des SiC-BJT verbessert. Bei der DTL ist der SiC-BJT weniger empfindlich gegenüber einer Verschlechterung im Laufe des Betriebes infolge beispielsweise einer Ausbreitung von Defekten, so beispielsweise von Basisebenendislozierungen.
  • Es sollte einsichtig sein, dass der SiC-BJT des Weiteren eine dielektrische Beschichtung, so beispielsweise ein Oxid, an den Seitenwänden des Emitterbereiches umfassen kann, und zwar mit einer etwaigen Bedeckung auch eines Teiles des oberen Abschnittes des Emitterbereiches, was dahingehend von Vorteil ist, dass die Oberflächenrekombination verringert wird und des Weiteren die Stromverstärkung des SiC-BJT verbessert wird.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der SiC-BJT zwei zweite Abschnitte (die denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Abschnitt oder Basisbereich aufweisen und eine Dotiermitteldosis aufweisen, die höher als eine Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes ist), die seitlich den ersten Abschnitt umgeben (oder an seitlich entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten hiervon angeordnet sind) und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt (oder relativ zu diesem) erstrecken. Im Folgenden werden derartige zweite Abschnitte als Abschirmbereiche bezeichnet, die seitlich den ersten Abschnitt umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt (oder relativ zu diesem) erstrecken.
  • Entsprechend kann bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Verfahren den Schritt des Bildens von zwei zweiten Abschnitten (oder Abschirmbereichen), die denselben Leitfähigkeitstyp wie der Basisbereich und eine Dotiermitteldosis aufweisen, die höher als die Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes ist, umfassen. Die Abschirmbereiche umgeben den ersten Abschnitt seitlich und erstrecken sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann der erste Abschnitt daher seitlich von den äußeren Seitenwänden des Emitters durch Abschnitte der Abschirmbereiche (wobei die Abschnitte hierdurcdh als Beabstandungsabschnitte/Bereiche wirken), die eine höhere Dotiermitteldosis aufweisen, beabstandet sein.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel nutzt das Konzept des Bereitstellens einer elektrostatischen Abschirmung des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches von dem elektrischen Feld aufgrund einer hohen Kollektorvorspannung während Aus-Zustandssperrbedingungen. Während Ein-Zustandsbedingungen, das heißt, wenn eine Vorwärtsvorspannung an dem pn-Übergang anliegt, der durch den Emitterbereich und den Basisbereich gebildet wird (wobei der Basis-Kollektor-Übergang umgekehrt vorspannungsbeaufschlagt (reverse-biased) ist), ist es wünschenswert, eine hohe Stromverstärkung zu erhalten, die durch Verringerung der Dicke und des Dotierniveaus des Basisbereiches erreicht werden kann. Demgegenüber ist es während Aus-Zustandssperrbedingungen wünschenswert, ein hohes elektrisches Durchschlagsfeld (oder eine hohe Sperrspannung) zur Verringerung des Punch-Through-Effektes zu erhalten, das heißt das Risiko einer vollständigen Entleerung bzw. Verarmung des Basisbereiches zu verringern. Ein Faktor, der den Punch-Through-Effekt vergrößert, ist eine verringerte Dicke und ein solches Dotierniveau des Basisbereiches. Daher müssen bei der Bestimmung der Dotierdosis (über die Dicke und/oder das Dotierniveau) des Basisbereiches sowohl das Leistungsvermögen des BJT während des Ein-Zustandes wie auch Sperrbedingungen berücksichtigt werden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Punch-Through-Effekt durch einen weiteren Faktor verringert, nämlich durch die elektrostatische Abschirmung des ersten Abschnittes mit Bereitstellung durch die Abschirmbereiche, was das Risiko einer vollständigen Entleerung bzw. Verarmung (Punch Through) während Sperrbedingungen verringert und hierdurch die Sperrspannung des BJT vergrößert. Bei einem verringerten Punch-Through-Effekt kann die Dotiermitteldosis (bestimmt durch die Dicke und/oder das Dotierniveau) des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches niedriger gemacht werden, was zu einer vergrößerten Emitterstromverstärkung führt. Daher stellt das vorliegende Ausführungsbeispiel einen SiC-BJT (und eine Einheitszelle) mit verbesserten Sperreigenschaften bereit, während weiterhin eine ausreichende Stromverstärkung bereitgestellt wird.
  • Die elektrostatische Abschirmung wird von den Abschirmbereichen bereitgestellt, die denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Abschnitt und eine höhere Dotiermitteldosis als der erste Abschnitt aufweisen, wobei die Abschirmbereiche seitlich den ersten Abschnitt umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt erstrecken. Der Abschnitt des Kollektorbereiches (dritter Bereich), der die Abschirmbereiche trennt, das heißt der Abschnitt des Kollektorbereiches mit Anordnung unterhalb des ersten Abschnittes und zwischen den Abschirmbereichen, stellt einen Kanal (oder eine Öffnung) zur Vereinfachung des Ein-Zustandsstromflusses durch den ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches während Ein-Zustandsbedingungen bereit. Ein derartiger Abschnitt des Kollektorbereiches kann nachstehend als Kanalabschnitt bezeichnet werden.
  • Ein dünner und niedriger dotierter erster Abschnitt des Basisbereiches verfügt über eine niedrigere Gummel'sche Zahl, das heißt eine niedrigere Gesamtakzeptorladung, und ist daher stärker gegenüber einer Minoritätsträgerdiffusion durchlässig, was den Basistransportfaktor und die Stromverstärkung vergrößert. Der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches kann auch als diffusionsdurchlässiger Basisbereich bezeichnet werden.
  • Bei einem standardmäßigen planaren BJT-Design ist eine dünne und niedrig dotierte Basis gegebenenfalls nicht in der Lage, eine hohe Spannung während Aus-Zustandssperrbedingungen zu sperren, was von einer unzureichenden Verunreinigungsladung (infolge der niedrigen Dotiermitteldosis) herrührt. Bei dem SiC-BJT entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine höhere Sperrspannung durch die elektrostatische Abschirmung des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches von dem elektrischen Feld erreicht, das während Sperrbedingungen (Aus-Zustandsbetrieb) (an der Basis-Kollektor-Grenzfläche) entsteht.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel können sich die Abschirmbereiche vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt um einen Abstand erstrecken, der etwa 15% bis 150%, vorzugsweise etwa 40% bis 60% und besonders bevorzugt etwa 50% der Breite des Abschnittes des Kollektorbereiches (oder dritten Bereiches) zur Trennung der Abschirmbereiche entspricht. Die Abmessungen der Abschirmbereiche und des Abschnittes des Kollektorbereiches zur Trennung der Abschirmbereiche, das heißt des Kanalabschnittes, haben Auswirkungen auf das Leistungsvermögen des SiC-BJT in Bezug auf die elektrostatische Abschirmung während Sperrbedingungen und den Kanalwiderstand gegenüber einem Vertikalstromfluss während Ein-Zustandsbedingungen (da der Kanalwiderstand von der Querschnittsfläche und der Dicke des Kanalabschnittes abhängig ist). Es ist wünschenswert, eine vergrößerte elektrostatische Abschirmung während Sperrbedingungen und einen ausreichend niedrigen Kanalwiderstand gegenüber einem Vertikalstromfluss während Ein-Zustandsbedingungen zu erhalten. Seichtere bzw. flachere Abschirmbereiche (das heißt, die Vertikalerstreckung der Abschirmbereiche weiter nach unten in dem Stapel relativ zu der Vertikalerstreckung des ersten Abschnittes entspricht einem geringeren prozentualen Anteil der Breite des Kanalabschnittes) stellt eine geringere elektrostatische Abschirmung während Sperrbedingungen und einen geringeren Kanalwiderstand während Ein-Zustandsbedingungen bereit. Tiefere Abschirmbereiche (das heißt, die Vertikalerstreckung der Abschirmbereiche weiter nach unten in dem Stapel relativ zur Vertikalerstreckung des ersten Abschnittes entspricht einem größeren prozentualen Anteil der Breite des Kanalabschnittes) stellt eine größere elektrostatische Abschirmung während Sperrbedingungen und einen größeren Kanalwiderstand bereit. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass die Abmessungen der Abschirmbereiche und des Kanalabschnittes dafür ausgelegt sind, eine verbesserte elektrostatische Abschirmung des ersten Abschnittes während Sperrbedingungen, wodurch der Punch-Through-Effekt verringert wird, und einen ausreichend niedrigen Kanalwiderstand des Kanalabschnittes während Ein-Zustandsbedingungen bereitzustellen.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Abschirmbereiche epitaktisch aufgewachsene und/oder ionenimplantierte Bereiche sein. Entsprechend kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Schritt des Bildens der Abschirmbereiche einen Schritt der Ionenimplantation und/oder einen Schritt des epitaktischen Aufwachsens der Abschirmbereiche auf der Kollektorschicht beinhalten.
  • Epitaktisch aufgewachsene Abschirmbereiche sind dahingehend von Vorteil, dass sie höhere Minoritätsträgerlebenszeiten in dem epitaktisch aufgewachsenen Material im Vergleich zu denjenigen ergeben, die man durch ionenimplantierte Bereiche erhält, da es schwierig ist, einen Implementierungsschaden in SiC sogar bei der höchsten in der Praxis verfügbaren Temperatur des Beschädigungsaushärtens (damage annealing) vollständig zu entfernen. Demgegenüber können alternativ ionenimplantierte Abschirmbereiche verwendet werden, da der erste (eine niedrige Dosis aufweisende) Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches vorzugsweise einen Hauptteil des Minoritätsträgerflusses von dem Emitterbereich zu dem Kollektorbereich infolge der niedrigeren Dotiermitteldosis hiervon bereitstellen kann, wodurch der Minoritätsträgerfluss in den Abschirmbereichen weniger kritisch gemacht wird. Ionenimplantierte Abschirmbereiche sind dahingehend von Vorteil, dass die Herstellung des SiC-BJT vereinfacht wird, da die Anzahl von Ätz- und Aufwachsschritten und damit verbundenen Vorgängen verringert wird. Die Ionenimplantation kann in Abschnitten des Kollektorbereiches vorgenommen werden, die den ersten Abschnitt seitlich umgeben, wodurch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schicht zur Bildung der Abschirmbereiche verringert wird. Die ionenimplantierten Abschirmbereiche können an jeder Seite des ersten Abschnittes derart angeordnet werden, dass der Kanalabschnitt des Kollektorbereiches seitlich durch die ionenimplantierten Abschirmbereiche umgeben wird. Des Weiteren kann eine Kombination aus epitaktisch aufgewachsenen und ionenimplantierten Bereichen ebenfalls zur Bereitstellung von Abschirmbereichen mit passenden Abmessungen und Dotiermitteldosen verwendet werden.
  • Insbesondere im Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren beinhalten: die Schritte des Bildens einer erhöhten Mesastruktur in der Kollektorschicht und des epitaktischen Aufwachsens einer Abschirmschicht (das heißt einer Schicht zur Bereitstellung der Abschirmbereiche) auf der Kollektorschicht, wodurch eine erhöhte Mesastruktur in der Abschirmschicht gebildet wird. Das Verfahren kann des Weiteren die Schritte des Bildens einer Opferschicht auf den nichterhöhten Abschnitten der Abschirmschicht (das heißt die Abschnitte, die seitlich die Mesastruktur der Abschirmschicht umgeben) und des Entfernens der Opferschicht und des erhöhten Abschnittes der Abschirmschicht durch Hinabätzen zu dem erhöhten Bereich der Kollektorschicht beinhalten. Des Weiteren kann eine Basisschicht oberhalb der Abschirmschicht und des erhöhten Abschnittes der Kollektorschicht gebildet werden, und es kann eine Emitterschicht auf der Basisschicht gebildet werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass die Abschirmbereiche epitaktisch aufgewachsen werden, was höhere Minoritätsträgerlebenszeiten in den Abschirmbereichen bereitstellt. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können sich die Abschirmbereiche seitlich von dem ersten Abschnitt außerhalb des intrinsischen Basisbereiches aus erstrecken. Die Abschirmbereiche können sich damit seitlich von dem ersten Abschnitt in den intrinsischen Basisbereich des SiC-BJT erstrecken. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass die elektrostatische Abschirmung des ersten Abschnittes infolge der vergrößerten seitlichen Erstreckung der Abschirmbereiche außerhalb des intrinsischen Basisbereiches verbessert wird.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Abschirmbereiche ein Teil des Basisbereiches sein. Der Basisbereich kann damit einen eine niedrige Dosis aufweisenden Abschnitt, der durch den ersten Abschnitt gebildet ist, der in dem intrinsischen Basisbereich angeordnet ist, und einen eine hohe Dosis aufweisenden Abschnitt, der durch die Abschirmbereiche gebildet ist, die den eine niedrige Dosis aufweisenden Abschnitt seitlich umgeben, umfassen.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird eine SiC-Leistungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Mehrzahl von BJTen gemäß Definition bei einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele umfasst. Die BJTen können als ein- oder zweidimensionale Feldanordnung angeordnet und über Verbindungsmittel verbunden werden.
  • Es sollte einsichtig sein, dass die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Verbindung auch mit einem beliebigen der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren des zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, kombinierbar sind, und umgekehrt.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich bei einem Studium der nachfolgenden Detailbeschreibung, der Zeichnung und der beigefügten Ansprüche. Einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließt sich, dass verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können, um Ausführungsbeispiele herzustellen, die nicht die nachfolgend beschriebenen sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Die vorstehenden wie auch eine zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser durch die nachfolgende illustrative und nichtbeschränkende Detailbeschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die sich wie folgt zusammensetzt.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Standard-SiC-BJT.
  • 2f zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT entsprechend einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2a bis 2f zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen SiC-BJT.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT entsprechend einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt das Ein-Zustandsleistungsvermögen eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem Ausführungsbeispiel entsprechend dem in 3 gezeigten Design für einen Vergleich mit dem Ein-Zustandsleistungsvermögen eines SiC-BJT mit Standarddesign (gemäß Darstellung in 1).
  • 5 zeigt die Aus-Zustandseigenschaften eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem Ausführungsbeispiel entsprechend dem in 3 gezeigten Design für einen Vergleich mit den Aus-Zustandskenngrößen eines SiC-BJT mit Standarddesign (gemäß Darstellung in 1).
  • 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt schematisch die Facettierung einer SiC-Kristalloberfläche während eines nichtplanaren Überwachsens eines Grabens und die bevorzugten Offsets zum Ätzen des Emitterbereiches.
  • 9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Screeningfaktor des elektrischen Feldes und dem Seitenverhältnis eines Kanalabschnittes des BJT entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 11 zeigt einen SiC-BJT, der eine Mehrzahl von Einheitszellen entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • 12A und 12B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 13A bis 13F zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Sämtliche Figuren sind schematisch, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und zeigen im Allgemeinen nur Teile, die zur Erläuterung der Erfindung notwendig sind, wohingegen andere Teile weggelassen oder nur angedeutet sein können.
  • Detailbeschreibung
  • In 1 gezeigt ist eine schematische Ansicht eines Standard-SiC-BJT.
  • 1 zeigt einen SiC-BJT 100, der ein Substrat 110 umfasst, auf dem eine Kollektorschicht 120, eine Basisschicht 140 und eine Emitterschicht 160 aufgewachsen worden sind. Für den Fall eines NPN-SiC-BJT kann die Epitaxialstruktur normalerweise eine niedrig dotierte vom n-Typ seiende Kollektorschicht 120 mit Aufwachsung oberhalb eines hoch dotierten vom n-Typ seienden Substrates 110, eine vom p-Typ seiende Basisschicht 140 und eine hoch dotierte vom n-Typ seiende Emitterschicht 160 umfassen. Nach dem epitaktischen Aufwachsen werden der Emitterbereich und der Basisbereich unter Verwendung von Trockenätztechniken festgelegt, wodurch ein erhöhter Emitterbereich 160 bereitgestellt wird. Eine dielektrische Schicht 170 kann beispielsweise durch Aufbringung eines Oxides an der Kante des erhöhten Emitterbereiches 160 (oder der Emittermesa) gebildet werden. Die dielektrische Schicht 170 ist zum Unterdrücken oder wenigstens Verringern und Stabilisieren der Oberflächenrekombination von Minoritätsträgern von Vorteil. Ohmsche Kontakte 161 und 141 sind an dem Emitterbereich 160 beziehungsweise dem Basisbereich 140 ausgebildet, und es kann ein ohmscher Kollektorkontakt 121 an der Hinterseite des Substrates 110 ausgebildet sein. Der ohmsche Kontakt 141 zu dem Basisbereich 140 kann durch Bereitstellen eines Bereiches 142 mit einer vergrößerten Akzeptordotierung beispielsweise unter Verwendung einer selektiven Ionenimplantation, gefolgt von einem anschließenden Hochtemperaturaushärten vor der Bildung des Kontaktes 141 verbessert werden. Der Abschnitt der Basisschicht 140 mit Anordnung unter der Emittermesa 160, das heißt innerhalb des Umrisses der Emitterkante, wird allgemein als intrinsischer Basisbereich 145 (oder aktiver Basisbereich) bezeichnet, während der Abschnitt des Basisbereiches 140 ohne Deckelung mit dem Emitterbereich 160 allgemein als extrinsischer Basisbereich (oder passiver Basisbereich) bezeichnet wird.
  • Hochgeschwindigkeitsschaltanwendungen hoher Leistung erfordern jedoch neue Designs. Insbesondere wäre von Vorteil, neue Designs zur Bereitstellung von SiC-BJTen mit verbesserten Sperreigenschaften bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Ermittlerstromverstärkung bereitzustellen.
  • In 2f gezeigt ist eine schematische Ansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2f zeigt einen SiC-BJT 200, der ein Substrat 210 umfasst, auf dem ein Kollektorbereich 220, ein Basisbereich 240 und ein Emitterbereich 260 als Stapel angeordnet sind.
  • Der Kollektorbereich 220, der Basisbereich 240 und der Emitterbereich 260 können epitaktisch aufgewachsen werden, wie dies nachstehend noch erläutert wird. Der SiC-BJT gemäß Darstellung in 2f kann ein NPN-SiC-BJT sein, so beispielsweise einer, wie er vorstehend in Verbindung mit 1 beschrieben worden ist, das heißt mit einer niedrig dotierten vom n-Typ seienden Kollektorschicht 220 mit Aufwachsung oberhalb eines hoch dotierten vom n-Typ seienden Substrates 210, einer vom p-Typ seienden Basisschicht 240 und einer hoch dotierten vom n-Typ seienden Emitterschicht 260. Nach dem Mustern (beispielsweise durch Fotolithografie und Ätztechniken) der Emitterschicht bildet der Emitterbereich 260 eine erhöhte Struktur oder Mesastruktur, die durch äußere Seitenwände 265 oberhalb des Stapels festgelegt ist.
  • Des Weiteren umfasst der SiC-BJT 200 einen intrinsischen Basisbereich 245 entsprechend dem Abschnitt 245 des Basisbereiches 240 mit Bildung einer Grenzfläche zu dem Emitterbereich 260 (das heißt der Abschnitt des Basisbereiches 240, der durch den Emitterbereich 260 gedeckelt ist), wobei der intrinsische Basisbereich 245 einen ersten Abschnitt 246 beinhaltet, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden 265 des Emitterbereiches 260 durch einen zweiten Abschnitt 247 beabstandet ist. Die Dotiermitteldosis des zweiten Abschnittes 247 ist höher als die Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes 246. Obwohl aus Gründen der Einfachheit das Bezugszeichen 245, das den intrinsischen Basisbereich bezeichnet, in der Zeichnung in dem Substrat 210 platziert ist, sollte einsichtig sein, dass der intrinsische Basisbereich 245 den Abschnitt des Basisbereiches 240, der die Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, wie vorstehend festgelegt worden ist, bezeichnet.
  • Bei einer Alternative kann, wie beispielsweise in 2f gezeigt ist, der erste Abschnitt 246 des intrinsischen Basisbereiches 245 dünner als der verbleibende Teil des Basisbereiches 240 und insbesondere der zweite Abschnitt 247 sein. Damit kann unter Verwendung einer Basisschicht mit einem vergleichsweise gleichmäßigen Dotierniveau die Dotiermitteldosis des Basisbereiches 240 in dem ersten Abschnitt 246, das heißt in dem aktivem Abschnitt hiervon, durch Verringern der Dicke des ersten Abschnittes relativ zu dem verbleibenden Teil des Basisbereiches vergrößert werden. Im Allgemeinen ist die elektrische Ladung des ersten Abschnittes im Vergleich zur elektrischen Ladung des zweiten Abschnittes verringert, wodurch das Risiko eines Punch-Through in der Umgebung der äußeren Seitenwände oder Kanten 265 des Emitterbereiches 260 infolge des zweiten Abschnittes 247 verringert wird.
  • Bei einer weiteren nicht gezeigten Alternative kann die Dotiermitteldosis des zweiten Ausführungsbeispieles 247 relativ zu der Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes 246 des intrinsischen Basisbereiches 245 durch lokales Vergrößern des Dotierniveaus der Basisschicht in dem zweiten Abschnitt 247 und sogar noch vorteilhafter in dem zweiten Abschnitt 247 und dem extrinsischen Basisbereich des Basisbereiches 240 vergrößert werden.
  • Es sollte einsichtig sein, dass der in 2f gezeigte SiC-BT auch ohmsche Kontakte zu dem Kollektorbereich 220 beispielsweise über eine Kontaktschicht 221 an der Hinterseite des Substrates 210, eine Kontaktschicht 241 zu dem Basisbereich 240 und eine Kontaktschicht 261 zu dem Emitterbereich 260 beinhalten kann.
  • Der in 2f gezeigte SiC-BJT 200 kann beispielsweise durch ein erstes epitaktisches Aufwachsen der Kollektorschicht 220 oberhalb des Substrates 210 (Schritt entsprechend 2a) und ein anschließendes epitaktisches Aufwachsen der Basisschicht 240 oberhalb der Kollektorschicht 220 (Schritt von 2b) hergestellt werden. Die Basisschicht 240 wird sodann durch Ätzen einer Senke 249 (Schritt von 2c) beispielsweise unter Verwendung einer Kombination aus Fotolithografie und Trockenätzentechniken, zum Festlegen des aktiven (oder ersten) Abschnittes 246 des Basisbereiches 240 gemustert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann sich die Senke 249 bis zu einer gewünschten Dicke erstrecken, und zwar entsprechend einer gewünschten Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes 246 des intrinsischen Basisbereiches 245. Das Herstellungsverfahren umfasst sodann des Weiteren einen Schritt des epitaktischen Aufwachsens der Emitterschicht (Schritt von 2d), wodurch die untere Oberfläche der Senke 249 in dem intrinsischen Basisbereich und dem verbleibenden Teil der Basisschicht 240 (das heißt die Oberfläche, die später dem zweiten Abschnitt und dem extrinsischen Basisbereich entspricht) bedeckt wird. Der Emitterbereich 260 wird sodann unter Verwendung einer Kombination aus Fotolithografie und Trockenätztechniken festgelegt, um eine erhöhte Struktur oberhalb des Stapels von Schichten zu bilden (Schritt von 2e). Der Emitterbereich 260 (das heißt die erhöhte Struktur oder Mesa) wird während des Fotolithografieschrittes derart ausgerichtet, dass der erste Abschnitt 246 des intrinsischen Basisbereiches (oder mit anderen Worten die vorher festgelegte Senke 249 in der Basisschicht) von den äußeren Kanten 265 des Emitterbereiches 260 durch den zweiten Abschnitt 247, das heißt durch einen Bereich mit einer größeren Dicke als derjenigen des ersten Abschnittes 246, beabstandet ist. Die erhöhte Struktur zur Bildung des Emitterbereiches 260 wird durch die äußeren Seitenwände 265 festgelegt.
  • Mit anderen Worten, der Emitterbereich wird gemustert, um das Risiko eines Schneidens der Emittermesakanten mit dem aktiven Teil (erster Abschnitt) des intrinsischen Basisbereiches mit einer niedrigeren Akzeptordosis zu vermeiden oder zu beseitigen. Die Kanten des ersten Abschnittes 246 des intrinsischen Basisbereiches 245 fallen (seitlich) nicht mit den äußeren Seitenwänden 265 des Emitterbereiches 260, wie in 2f gezeigt ist, zusammen.
  • Wie in 1 zur weiteren Erläuterung der Erfindung gezeigt ist, sollte einsichtig sein, dass der extrinsische Basisbereich des SiC-BJT entsprechend dem in 1 gezeigten Standarddesign eine niedrigere Akzeptordosis als diejenige des intrinsischen Basisbereiches aufweist, da der extrinsische Basisbereich tatsächlich dünner als der intrinsische Basisbereich infolge des Erfordernisses eines Überätzens der Emittermesa ist. Des Weiteren wird auch eine zusätzliche Akzeptorladung aus der extrinsischen Basis infolge der festen Ladung in der Oxidbeschichtung 170 entfernt. Eine unzureichende Ladung in der extrinsischen Basis führt zu einem vergrößerten Basiswiderstand wie auch zu einem frühen Punch-Through der extrinsischen Basis, und zwar insbesondere dann, wenn die Akzeptordosis in der Basis niedrig gehalten wird, um so eine hohe Emitterstromverstärkung zu erreichen.
  • Der SiC-BJT in Entsprechung zur vorliegenden Erfindung ist daher eindeutig gegenüber Standard-SiC-BJTen dahingehend von Vorteil, dass er einen zweiten Abschnitt 247 aufweist, der eine höhere Dotiermitteldosis zwischen dem ersten Bereich 246 des intrinsischen Basisbereiches 245 und den äußeren Kanten 265 der Emittermesa 260 aufweist. Des Weiteren kann sich der Bereich mit der höheren Dotiermitteldosis vorteilhafterweise in dem extrinsischen Basisbereich, wie in 2f gezeigt ist, erstrecken. Im Ergebnis wird der Basiswiderstand gesenkt, und es wird der Punch-Through-Effekt weiter verringert.
  • Es sollte einsichtig sein, dass der zweite Abschnitt 247 des intrinsischen Basisbereiches 245 vorteilhafterweise einen kleineren prozentualen Anteil der gesamten intrinsischen Basisfläche im Vergleich zu dem ersten Abschnitt 246 des intrinsischen Basisbereiches 245 bedecken kann, da die Kollektorstromdichte in dem zweiten Abschnitt nicht so hoch wie diejenige für den ersten eine niedrige Dosis aufweisenden Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches ist.
  • In 3 gezeigt ist eine schematische Ansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt einen SiC-BJT 300, der ein Substrat 310 umfasst, auf dem ein Kollektorbereich 320, ein Basisbereich 340 und ein Emitterbereich 360 als Stapel angeordnet sind. Der SiC-BJT 300 kann ein NPN-BJT gemäß vorstehender Beschreibung beispielsweise anhand von 2f sein.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Emitterbereich 360 des SiC-BJT 300 epitaktisch oberhalb einer Senke, die in die vom p-Typ seiende Basisschicht 340 geätzt ist, darüber aufgewachsen, wie beispielsweise anhand von 2f beschrieben worden ist. Die Senke in der Basisschicht 340 entfernt einen Abschnitt des Akzeptorladung zur Bildung einer Zone 346 mit einer gesenkten Gesamtdosis von Akzeptoren, wodurch der aktive oder erste Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 in der Basisschicht 340 festgelegt ist. Es sollte einsichtig sein, dass sich die Senke nicht durch die gesamte Dicke der vom p-Typ seienden Basisschicht 340 erstrecken kann, sodass der erste Abschnitt 346 in dem intrinsischen Basisbereich 345 der Basisschicht 340 festgelegt werden kann. Die Emitterschicht kann oberhalb des gemusterten Basisbereiches unter Verwendung beispielsweise eines epitaktischen Aufwachsens, vorzugsweise einer chemischen Dampfaufbringung (Chemical Vapor Deposition CVD), aufgebracht werden. Im Ergebnis bedeckt die Emitterschicht den Boden bzw. die Unterseite der Senke mit Ätzung in der Basisschicht 340 und den verbleibenden Teil der Basisschicht mit vergleichsweise homogener Dicke. Der Emitterbereich 360 wird sodann (unter Verwendung einer Kombination beispielsweise aus Fotolithografie und Trockenätztechniken) derart festgelegt, dass die Kanten des ersten Abschnittes 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 nicht mit den äußeren Seitenwänden 365 des Emitterbereiches 360 zusammenfallen. Mit anderen Worten, ein zweiter Abschnitt oder Beabstandungsbereich 347 wird zwischen den Kanten des ersten Abschnittes 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 und den äußeren Seitenwänden 365 des Emitterbereiches 360, wie in 3 dargestellt ist, gebildet.
  • Des Weiteren sollte einsichtig sein, dass die Senke nur in einer Zone der Basisschicht zum Festlegen des ersten Abschnittes 346 geätzt werden kann. Der Abschnitt des Basisbereiches, der eine höhere Dotiermitteldosis aufweist, einschließlich des zweiten Abschnittes 347 kann sich sodann seitlich in dem extrinsischen Basisbereich, vorzugsweise in dem gesamten extrinsischen Basisbereich, erstrecken. Im Ergebnis weist der SiC-BJT 300 eine vergrößerte Ladung in dem extrinsischen Basisbereich auf, was die Spannungssperreigenschaften verbessert, während die Hochstromverstärkung erhalten bleibt.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Basisdotierprofilen eingesetzt werden. Entsprechend einem ersten Beispiel kann die Basisschicht 340 zwei Schichten umfassen. Eine erste Schicht 343 kann epitaktisch (beispielsweise mittels CVD) oberhalb der Kollektorschicht 320 aufgewachsen werden. Im Anschluss hieran kann eine zweite Schicht 348 epitaktisch (beispielsweise mittels CVD) oberhalb der ersten Schicht 343 aufgewachsen werden. Die zweite Schicht 348 kann sodann in einer Fläche entsprechend dem ersten Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 zur Bildung in der Basisschicht 340 geätzt werden. Ein derartiger Prozess kann einen Schritt der Fotolithografie (mit Aufbringung eines Fotoresist oberhalb der zweiten Schicht, gefolgt von einer Bestrahlung mit Licht, so beispielsweise UV, und der Entwicklung des Fotoresist) beinhalten, um in einer Maskierschicht die Fläche festzulegen, die dem ersten Abschnitt 346 entspricht, sowie einen Schritt des Trockenätzens zur Übertragung des Musters, das in der Maskierschicht ausgebildet ist, auf die zweite Schicht 348, um hierdurch eine Senke in der zweiten Schicht 348 zu bilden. Die zweite Schicht oder obere Schicht 348 kann auch als Basisdeckelungsschicht (base capping layer) bezeichnet werden.
  • Es sollte einsichtig sein, dass die allgemeine Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des in 3 gezeigten SiC-BJT 300 gleichwertig zu demjenigen ist, das vorstehend anhand von 2f beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, dass die Basisschicht zwei Schichten (wie vorstehend beschrieben worden ist) umfasst. Die Abfolge von Prozessschritten kann identisch sein und wird daher nicht wiederholt.
  • Die Tiefe der Senke, das heißt die Ätztiefe, kann derart angepasst werden, dass die Deckelungsschicht 348 vollständig entfernt wird, sodass der erste Abschnitt 346 nur Material der ersten Schicht 343 umfasst. Die Basisdeckelungsschicht 348 kann vorteilhafterweise eine Akzeptorkonzentration aufweisen, die höher als die Akzeptorkonzentration der unteren ersten Schicht 343 ist. Im Ergebnis wird ein Bereich 346 festgelegt, der Material der ersten Schicht 343 (das heißt mit einer niedrigeren Dotierkonzentration) umfasst und dünner als die Gesamtbasisschicht 340 (umfassend die erste Schicht 343 und die zweite Schicht 348) ist. Ein derartiger Bereich wird als erster oder aktiver Bereich 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 bezeichnet und weist eine niedrige Dotiermitteldosis im Vergleich zum verbleibenden Teil der Basisschicht 340 auf. Die Dicke (über die Ätztiefe) des ersten Abschnittes 346 der Basisschicht 340 und die Dotiermittelkonzentration der ersten Schicht 343 sind vorteilhafterweise entsprechend einer gewünschten Sperrspannung und einer gewünschten Emitterstromverstärkung für den SiC-BJT 300 ausgewählt. Die Tiefe der Senke kann daher bei einigen Anwendungen angepasst werden, um nur eine bestimmte Dicke der Deckelungschicht 348 zu entfernen. Des Weiteren erleichtert die höhere Akzeptorkonzentration in der Deckelungsschicht 348 die Bildung eines guten ohmschen Kontaktes zu der Basisschicht 340 und verringert den Basiswiderstand.
  • Entsprechend einem weiteren Beispiel kann die Basisschicht 340 als Schicht ausgebildet sein, die eine gestaffelte Dotierung aufweist, wobei die Akzeptorkonzentration kontinuierlich nach oben zunimmt, das heißt in Richtung von der Grenzfläche zu dem Kollektorbereich 320 hin zu der Grenzfläche mit dem Emitterbereich 360. Beim vorliegenden Beispiel wird eine Senke auch in der Basisschicht 340 zur Festlegung des ersten Abschnittes 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 gebildet, und zwar beispielsweise auf ähnliche Weise, wie vorstehend beim vorherigen Beispiel und in Verbindung mit 2f beschrieben worden ist. Bei einer weiteren Alternative kann die Basisschicht ein Dotierprofil aufweisen, wobei die Akzeptorkonzentration in der Richtung von der Grenzfläche zu dem Kollektorbereich 320 hin zu dem Emitterbereich 320 (das heißt die gegenüberliegende bzw. entgegengesetzte Seite der Basisschicht) stufenartig zunimmt. Das eingebaute elektrische Feld, das durch das gestaffelte oder stufenartige Dotierprofil der Basisschicht 340 induziert wird, vergrößert die Injektion von Minoritätsträgern, wodurch die Stromverstärkung des SiC-BJT vergrößert wird.
  • Es sollte einsichtig sein, dass ungeachtet dessen, dass die Figuren nur einen Querschnitt des SiC-BJT darstellen und daher nur zwei der äußeren Seitenwände des Emitterbereiches 360 zeigen, der Emitterstreifen üblicherweise finite bzw. endliche Abmessungen aufweist, weshalb die zusätzliche Ladung, die an den Kanten des intrinsischen Basisbereiches 345 (unter den äußeren Seitenwänden 365 des Emitterbereiches 360) über den zweiten Abschnitt 347 vorgesehen ist, vorteilhafterweise an einer der anderen Kanten des intrinsischen Basisbereiches (und äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches 360) bereitgestellt werden kann. Der erste Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 mit der niedrigsten Akzeptorladung ist vorteilhafterweise von einer beliebigen der äußeren Seitenwände 345 des Emitterbereiches 360 beabstandet.
  • Mit Blick auf die Parameter, so beispielsweise die Dotiermittelkonzentration und die Dicke der Basisschicht und insbesondere des ersten Abschnittes 346 des intrinsischen Basisbereiches 345, sollte einsichtig sein, dass bevorzugt wird, wenn der SiC-BJT eine Gesamtakzeptordosis innerhalb des ersten Abschnittes 346 der Basisschicht 340 aufweist, die dem maximalen elektrischen Feld ohne vollständige Entleerung bzw. Verarmung (depletion) standhalten kann. Entsprechend dem Gauß'chen Gesetz kann die Akzeptordosis folgendermaßen ausgedrückt werden. Q = ε × ε0 × Emax/q Gleichung 1
  • Hierbei bezeichnet Emax das maximale elektrische Feld, ε0 die dielektrische Konstante, ε die Permittivität von SiC und q die Elektronenladung. Da SiC ein kritisches Feld für einen Avalanche-Durchschlag von etwa 2,5 MV/cm aufweist, ist die Dotiermitteldosis für den eine niedrige Dosis aufweisenden Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches, das heißt für den ersten Abschnitt 346 der Basisschicht 340 (entsprechend dem Bereich unterhalb der Basissenke) vorteilhafterweise gleich einem Minimum von annähernd 1,4 × 1013 Akzeptoren pro Quadratzentimeter. Des Weiteren weist eine Hochgeschwindigkeitsleistungsschaltvorrichtung vorzugsweise einen nichtverarmten bzw. nichtentleerten Basisabschnitt sogar bei der höchsten anliegenden Spannung auf, wodurch ein bestimmter Rand für die Akzeptordosis in dem ersten Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 bereitgestellt wird. Die optimale Akzeptordosis in dem ersten Bereich 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 kann daher von der beabsichtigten Anwendung des SiC-BJT abhängen. Bei bestimmten Anwendungen kann die Emitterstromverstärkung merklicher als die Spannungssperreigenschaft sein, weshalb die optimale Akzeptordosis in dem ersten Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 sogar unter 1,4 × 1013 cm–2 liegen kann. Im Allgemeinen kann die Akzeptorkonzentration in dem ersten Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 (das heißt der eine niedrige Dosis aufweisende Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345) annähernd in dem Bereich von 1 × 1017 bis 5 × 1018 Atome pro cm3 (Kubikzentimeter) umfasst sein, während die Dicke des ersten Abschnittes 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 derart berechnet sein kann, dass sie die gewünschte Akzeptordosis pro cm2 (Quadratzentimeter) bereitstellt.
  • Mit Blick auf die Parameter des Emitterbereiches 360 kann die Dotierkonzentration in dem Emitterbereich 360 vorzugsweise etwa 5 × 1018 pro cm2 oder höher sein, sodass eine ausreichend hohe effektive Gummel'sche Zahl, die das Produkt der durchschnittlichen effektiven Donorkonzentration in dem Emitterbereich und der Dicke des Emitterbereiches ist, erreicht wird, da die Stromverstärkung eines SiC-BJT üblicherweise proportional zur effektiven Gummel'schen Zahl des Emitterbereiches ist. Mit Blick auf die Dicke des Emitterbereiches ist ein dicker Emitter von Vorteil, da er eine höhere Gummel'sche Zahl für den Emitterbereich bereitstellt. Mit Blick auf die Dotierkonzentration des Emitterbereiches existiert ein optimaler Wert, da die effektive Gummel'sche Zahl mit dem Dotierniveau bei sehr hohen Donorkonzentrationen infolge von Hochkonzentrationseffekten, so beispielsweise einer Energiebandlückenabsenkung, abzusinken beginnt. Die Dotiermittelkonzentration des Emitterbereiches 360 kann vorteilhafterweise 1 × 1019 cm–3 nicht wesentlich übersteigen. Der am weitesten oben befindliche Abschnitt des Emitterbereiches 360 kann jedoch mit einer sogar noch höheren Dotierung versehen sein, um den ohmschen Kontaktwiderstand an dem Emitterkontakt 361 zu senken, der oberhalb des Emitterbereiches 360 vorgesehen ist (siehe 3). Im Gegensatz zur effektiven Gummel'schen Zahl nimmt der ohmsche Kontaktwiderstand kontinuierlich bei einer Zunahme des Dotierniveaus ab. Das vergrößerte Dotierniveau des Emitterbereiches 360 unter dem Emitterkontakt 361 kann sich vorteilhafterweise nicht zu tief in dem Emitterbereich erstrecken (das heißt, kann nur einen kleinen prozentualen Anteil der gesamten Emitterdicke bedecken), um eine beliebige wesentliche Verschlechterung der Emitterinjektionseigenschaften zu verhindern. Das Dotierniveau unter dem Emitterkontakt kann Werte von bis zu 2 × 1019 cm–3 oder mehr erreichen.
  • 4 und 5 zeigen das Ein-Zustandsleistungsvermögen zur Darstellung der Emitterverstärkung beziehungsweise das Aus-Zustandsleistungsvermögen zur Darstellung der Spannungssperreigenschaften für einen SiC-BJT mit einem Design gemäß Darstellung in 3 (wie es vorstehend bereits beschrieben worden ist) sowie für einen SiC-BJT mit herkömmlichem Design, wie es in 1 gezeigt ist. Beide Vorrichtungen werden auf demselben SiC-Wafer vom 4H-Hexagonal-Polytyp hergestellt, der eine bevorzugte Modifikation von SiC für Hochleistungs-SiC-BJTen infolge seiner hohen Elektronenmobilität und seines hohen kritischen Feldes ist. Beide Vorrichtungen weisen dasselbe Kontaktlayout, einen Emitterumfang von 1 mm und einen Emitterstreifenbreite von 20 μm auf. Der zweite Abschnitt 347 des SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design weist eine Breite von 1 μm auf (oder in anderen Worten, die Überlappung des eine hohe Dosis aufweisenden Abschnittes mit der Emittermesa ist gleich 1 μm). Des Weiteren ist die Dosis für den intrinsischen Basisbereich des SiC-BJT mit herkömmlichem Design (1) gleich 7,5 × 1012 cm–2, was auch die Akzeptordosis für den ersten Abschnitt 346 des intrinsischen Basisbereiches 345 des SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design ist. Die Deckelungsschicht 348 des SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design weist eine Akzeptorkonzentration von 3 × 1018 cm–3 auf.
  • In 4 und 5 sind die experimentellen Werte, die man für das herkömmliche Design (oder Standarddesign) erhält, durch Dreiecke dargestellt, während die experimentellen Werte, die man für den SiC-BJT entsprechend dem vorstehend anhand von 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel erhält, durch Quadrate dargestellt sind (die in den Figuren als „mit p+-Deckelungsschicht” bezeichnet sind). Die experimentellen Ergebnisse sind für einen Basisstrom von 200 μA und 400 μA gezeigt. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist der SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design eine Stromverstärkung von 170 auf, was nur marginal niedriger als diejenige des SiC-BJT mit herkömmlichem Design ist. Gleichwohl ist der Ein-Zustandswiderstand für den SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design niedriger, was von einer stärker ausgeprägten Kollektorleitfähigkeitsmodulation herrühren kann. Des Weiteren zeigt 5, dass eine merkliche Verbesserung der Sperrspannung von etwa 200 V auf 450 V bei dem SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design erreicht werden kann. Es sollte einsichtig sein, dass die Stromverstärkung des SiC-BJT mit dem in 3 gezeigten Design weiter verbessert werden kann, und die Verstärkung nicht notwendigerweise niedriger als diejenige des SiC-BJT mit herkömmlichem Design sein muss.
  • In 6 gezeigt ist eine schematische Ansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt einen SiC-BJT 600, der ein Substrat 610 umfasst, auf dem ein Kollektorbereich 620, ein Basisbereich 640 und ein Emitterbereich 660 als Stapel angeordnet sind. Der SiC-BJT 600 kann ein NPN-BJT gemäß vorstehender Beschreibung beispielsweise anhand von 2 und 3 sein.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Abschnitt 646 des intrinsischen Basisbereiches 645 der Basisschicht 640 in einer Senke darüber aufgewachsen, die in einer ersten Schicht 643 ausgebildet ist, die oberhalb der Kollektorschicht 620 aufgewachsen ist. Zu diesem Zweck kann die erste Schicht 643 epitaktisch (beispielsweise mittels CVD) oberhalb der Kollektorschicht 620 aufgewachsen sein. Die erste Schicht 643 kann sodann in eine Fläche geätzt werden, in der der erste Abschnitt 646 der intrinsischen Basisschicht 645 in der Basisschicht 640 angeordnet sein soll. Ein derartiger Prozess kann einen Schritt der Fotolithografie (mit Aufbringung eines Fotoresist oberhalb der zweiten Schicht, gefolgt von einer Bestrahlung mit Licht, so beispielsweise mit UV, und einer Entwicklung des Fotoresist) beinhalten, um in einer Maskierschicht die Fläche festzulegen, die dem ersten Abschnitt 646 entspricht, und einen Schritt des Trockenätzens zur Übertragung des in der Maskierschicht gebildeten Musters auf die erste Schicht 643 und hierdurch zur Bildung einer Senke in der ersten Schicht 643. Die Senke, die in der ersten Schicht 643 gebildet ist, erstreckt sich nach unten in Richtung zu der Kollektorschicht 620 und kann sich durchweg nach unten zu der Kollektorschicht 620, wie in 6 gezeigt ist, erstrecken. Infolgedessen kann eine zweite Schicht 648 epitaktisch (beispielsweise mittels CVD) oberhalb der ersten Schicht 643 aufgewachsen werden, wodurch sie dem Profil folgt, das in die erste Schicht 643 gemustert ist, und die Senke mit Material der zweiten Schicht 648 füllt.
  • Eine Emitterschicht kann sodann oberhalb des gemusterten Basisbereiches beispielsweise unter Verwendung eines epitaktischen Aufwachsens, vorzugsweise mittels CVD, aufgebracht werden. Im Ergebnis bedeckt die Emitterschicht die zweite Schicht 648, die am Boden bzw. der Unterseite der Senke befindlich ist, die in die erste Schicht 643 geätzt ist, und den verbleibenden Teil der zweiten Schicht 648 mit vergleichsweise homogener Dicke. Der Emitterbereich 660 wird sodann (beispielsweise unter Verwendung einer Kombination beispielsweise aus Fotolithografie und Trockenätztechniken) derart festgelegt, dass die (seitlichen, das heißt in Bezug auf die in den Figuren gezeigten Querschnitte vertikalen) Kanten des ersten Abschnittes 646 des intrinsischen Basisbereiches 645 nicht mit den äußeren Seitenwänden 665 des Emitterbereiches 660 zusammenfallen. Mit anderen Worten, ein zweiter Abschnitt 647 einer höheren Dotiermitteldosis wird zwischen den Kanten des ersten Abschnittes 646 des intrinsischen Basisbereiches 645 und den äußeren Seitenwänden 665 der Emitterbereiche 660, wie in 6 gezeigt ist, gebildet.
  • Man beachte, dass sich die Senke nicht notwendigerweise durch die gesamte Dicke der ersten Schicht 643 der vom p-Typ seienden Basisschicht 640 erstreckt, sodass der erste Abschnitt 646 als Übereinanderlage eines Abschnittes der ersten Schicht 643 und der zweiten Schicht 648 festgelegt werden kann. Die gesamte Akzeptorladung in dem ersten Abschnitt 646 (die eine niedrige Dosis aufweisende Zone) des intrinsischen Basisbereiches 645 entspricht sodann der Ladung in dem verbleibenden Abschnitt der ersten Schicht 643 an dem Senkenboden bzw. der Senkensunterseite und der Ladung der darüber aufgewachsenen vom p-Typ seienden Schicht 648.
  • Einer der Vorteile des SiC-BJT-Designs entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Möglichkeit einer genaueren Steuerung der Dotierung und der Dicke des ersten Abschnittes 646 des intrinsischen Basisbereiches 645. Bei diesem Design wird es möglich, eine dünne und stark dotierte intrinsische Basis ohne das Risiko eines Wegätzens eines im Wesentlichen hohen Abschnittes beispielsweise infolge einer SiC-Materialausdampfung in dem Regrowth-Prozess herzustellen, wobei eine gewisse Menge des SiC während der Aufwärmungsphase (heat-up stage) ausgedampft werden kann. Bei dem Design entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel folgt auf die Aufbringung der zweiten Schicht 648 unmittelbar eine Aufbringung der Emitterschicht, was die Möglichkeit einer ungesteuerten bzw. ungeregelten Aufdampfung ausschließt (oder wenigstens verringert). Eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Dotiermitteldosis ermöglicht die Herstellung eines SiC-BJT mit einer vergleichsweise hohen Basisdotierung von bis zu 1019 cm–3. Die Verwendung einer hohen Basisdotierung ist vom Standpunkt einer verringerten Basisleitfähigkeitsmodulation unter den Bedingungen einer hohen Kollektorstromdichte ein Vorteil.
  • In 7 gezeigt ist eine schematische Querschnittsansicht eines SiC-BJT in Entsprechung zu einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt einen SiC-BJT 700, der gleichwertig zu dem SiC-BJT 300 gemäß vorstehender Beschreibung anhand von 3 ist, mit der Ausnahme, dass der mit 747 in 7 bezeichnete zweite Abschnitt in Form von Streifen ausgebildet ist, die sich längsläufig von einer äußeren Seitenwand des Emitterbereiches 760 hin zu einer entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seitenwand des Emitterbereiches erstrecken. Um die in 7 gezeigten Ansichten nicht unklar zumachen, sind nicht alle Elemente des SiC-BJT, so beispielsweise das Substrat, der Hinterseitenkontakt und die deelektrische Schicht, gezeigt.
  • Die Streifen, die in dem zweiten Abschnitt 747 des intrinsischen Basisbereiches gebildet sind und sich von einer äußeren Seitenwand 765 des Emitterbereiches hin zu einer entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seitenwand erstrecken, bilden niedrige Resistivität aufweisende, vom p-Typ seiende Finger in dem intrinsischen Basisbereich. Diese Finger breiten sich von einer Emitterkante hin zur Mitte des Emitterstreifens aus und stellen ein Mittel zur Unterdrückung des Emitterkanten-Crowding-Effektes dar. Die niedrige Resistivität aufweisenden vom p-Typ seienden Finger 747 gleichen effektiv den Basis-zu-Emitter-Potenzialabfall entlang des Querschnittes der Emittermesa aus und unterdrücken daher das Strom-Crowding an der Emitterkante oder verringern dieses wenigstens.
  • Die das Potenzial ausgleichenden, niedrige Resistivität aufweisenden Basisfinger können in einem Siliziumkarbid-BJT unter Verwendung einer Emitterüberwachstechnik gebildet werden, wie sie vorstehend anhand von 2 und 3 beschrieben worden ist, wobei die Basisschicht 740 zwei Schichten beinhalten kann und wobei eine Senke in einer zweiten Schicht mit Aufbringung oberhalb einer ersten Schicht, die auf der Kollektorschicht 720 aufgewachsen ist, geätzt wird. Wie in 7 gezeigt ist, kann eine Anzahl von Senken in die zweiten Schicht geätzt werden, um eine Mehrzahl von Fingern zu bilden. Es sollte einsichtig sein, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel auch bei einem SiC-BJT zum Einsatz kommen kann, bei dem eine Basisschicht 740 ein Dotierprofil mit einer Akzeptorkonzentration aufweist, die gestaffelt oder stufenartig von der Grenzfläche mit dem Kollektorbereich 720 zu dem Emitterbereich 760 zunimmt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der intrinsische Basisbereich derart ausgebildet, dass sich Finger 747 bilden, wie in 7 gezeigt ist, die eine vergrößerte Akzeptordosis aufweisen.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dahingehend von Vorteil, dass der Emitterstrom-Crowding-Effekt entlang der Finger auftritt, die in dem intrinsischen Basisbereich gebildet sind, das heißt entlang des gesamten Serpentinenumfangs des eine hohe Dosis aufweisenden Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches (wobei die Finger einen vernachlässigbaren Widerstand infolge der hohen Dotierkonzentration aufweisen). Der effektive Emitterumfang für den SiC-BJT 700 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher merklich höher als der physische Umfang der Emittermesa 760. Im Ergebnis wird der unerwünschte Effekt einer Oberflächenrekombination an der Stromverstärkung des BJT im Vergleich beispielsweise zu einem herkömmlichen BJT-Design, wie es in 1 gezeigt ist, verringert. Des Weiteren wird die Stromverstärkungsinstabilität infolge der Instabilität der SiC-Oberflächeneigenschaften merklich verbessert.
  • Eine Vielfalt von alternativen Topologien kann für die Streifen (oder Finger) implementiert werden, die in dem eine hohe Dosis aufweisenden Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches gebildet sind. So können beispielsweise die Finger des intrinsischen Basisbereiches einen verjüngten Umriss mit einer Fingerbreite aufweisen, die sich von einer Emitterkante hin zu einer Emittermitte verkleinert. Des Weiteren können sich, obwohl 7 zeigt, dass sich die Finger nur auf halbem Wege von einer Kante des Emitterbereiches hin zu der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Kante erstrecken, die Finger über den ganzen Weg zwischen zwei entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seitenwänden des Emitterbereiches 760 ausbreiten.
  • Es sollte einsichtig sein, dass beliebige Details im Zusammenhang mit der Auswahl der Parameter des Basisbereiches, so beispielsweise die Dotierkonzentration oder die Dicke des ersten Abschnittes 746 (und des zweiten Abschnittes 747) des intrinsischen Basisbereiches des BJT gemäß vorstehender Beschreibung anhand von 2 bis 6 auch für den SiC-BJT 700 mit dem in 7 gezeigten Design gelten.
  • Des Weiteren kann die Akzeptordosis in dem zweiten Abschnitt 747, das heißt können die Streifen oder Finger 747 des Basisbereiches 740, derart ausgewählt werden, dass sie effektiv das Potenzial der Basis über die Fingerlänge ausgleichen. Insbesondere wird bevorzugt, wenn der zweite Abschnitt 747 eine Akzeptordosis aufweist, die die Akzeptordosis des ersten Abschnittes 746 des intrinsischen Basisbereiches um einen Faktor übersteigt, der in dem Bereich von annähernd 1,5 bis 20 umfasst ist. Die Basisschicht 740 kann beispielsweise eine Deckelungsschicht mit einer höheren Akzeptordotierung als die auf der Kollektorschicht 720 aufgebrachte erste Schicht umfassen, wie vorstehend in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel von 3 beschrieben worden ist.
  • Wie weiterhin in 7 gezeigt ist, kann der SiC-BJT 700 mit einem Basiskontakt 741 zu der Basisschicht 741 und einem Emitterkontakt 761 zu dem Emitterbereich zur elektrischen Verbindung der Basisschicht beziehungsweise des Emitterbereiches, wie in 7 gezeigt ist, versehen sein. Wie bei dem Ausführungsbeispiel, das anhand von 3 beschrieben worden ist, ist das vorliegende Ausführungsbeispiel dahingehend von Vorteil, dass der Basiswiderstand infolge der hohen Dotierung der Deckelungsschicht sinkt. Eine spezifische Ionenimplantation zur Bereitstellung eines ohmschen Kontaktes zu der Basisschicht wird daher nicht benötigt.
  • Des Weiteren stellt das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Verbesserung der Einschalt- und Ausschaltzeit bereit, und zwar insbesondere dann, wenn der Leistungs-BJT für eine hohe Stromverstärkung optimiert wird. In der Tat wird bei einer hohen Kollektorvorspannung der Hauptteil der intrinsischen Basisdicke eines Standard-SiC-BJT, wie in 1 gezeigt ist, verarmt bzw. entleert (depleted), wodurch der Basiswiderstand zunimmt und die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung abnimmt. Im Gegensatz hierzu sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die eine niedrige Resistivität aufweisenden, das Potenzial ausgleichenden Basisfinger des intrinsischen Basisbereiches weitgehend nicht verarmt bzw. entleert, und dies sogar bei hohen Spannungen. Daher weist der Basiswiderstand nur eine marginale Abhängigkeit von der Kollektorvorspannung auf, und es wird des Schaltvermögen der Vorrichtung verbessert.
  • Des Weiteren sollte einsichtig sein, dass die Querschnittsansichten der in den Figuren gezeigten SiC-BJTen eine einzelne Einheitszelle eines BJT darstellen. Eine Leistungsvorrichtung kann jedoch auch eine Mehrzahl von derartigen Einheitszellen umfassen, das heißt BJTen, so beispielsweise die bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen, die als ein- oder zweidimensionale Feldanordnung oder Feldanordnung aus parallelen Emitterstreifen angeordnet sind. Die Strukturen (Einheitszelle) in den BJTen, die einen Kollektorbereich, einen Basisbereich und einen Emitterbereich umfassen, können miteinander mittels Verbindungsmitteln (nicht gezeigt) verbunden werden.
  • Wie bei den Ausführungsbeispielen gezeigt ist, die anhand von 3 und 6 beschrieben worden sind, kann die Einheitszelle eine willkürliche Länge aufweisen, wobei jeder Abschnitt des Emitterbereiches entlang der Längserstreckung des Emitterstreifens einen identischen Querschnitt aufweist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, das anhand von 7 beschrieben worden ist, kann die Einheitszelle auch eine wohldefinierte Länge aufweisen, sodass es möglich wird, eine sich wiederholende Struktur mit verschiedenen Streifenlängen bereitzustellen.
  • Vorteilhafterweise kann, wie es bei einem beliebigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Fall ist, der Leistungs-BJT in einem Hexagonalg-SiC gebildet werden, und zwar vorzugsweise mit einem SiC der 4H-Polytyp-Modifikation, wobei das Substrat einen kleinen Off-Orientierungswinkel von der Basiskristallebene {0001} aufweist, der üblicherweise zwischen 4 und 8° liegt (jedoch auch zwischen 2 und 4° entsprechend einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wie nachstehend beschrieben ist, liegen kann). Ein bestimmter Off-Orientierungswinkel ist zum Ermitteln von epitaktischen Schichten von ausreichend hoher Qualität auf SiC von Vorteil, da es schwieriger ist, eine epitaktische Schicht, die frei von fremden Polytypeinschlüssen ist, auf onaxis-Wafern aufzuwachsen. Das epitaktische Aufwachsen des Emitterbereiches wird zudem vorteilhafterweise auf einem nichtplanaren Substrat durchgeführt, da das Substrat gemustert wird, um die gewünschte Struktur (das heißt den ersten Abschnitt mit einer niedrigen Dotiermitteldosis) des intrinsischen Basisbereiches zu gestalten. Das Kristallverhalten des darüber aufgewachsenen SiC führt zu bestimmten Einschränkungen hinsichtlich der Orientierung und Abmessungen der BJTen.
  • Das epitaktische Überwachsen von SiC tritt üblicherweise auf wohlgeordnete konforme Art für bestimmte Orientierungen einer Grabenkante in Bezug auf die Off-Orientierungsrichtung des Substrates auf. Gleichwohl kann eine ausgeprägte Kristallfacettierung für bestimmte Orientierungen, wie sie in 8 gezeigt sind, beobachtet werden. Die Facettierung des SiC-Kristalls während des nichtplanaren Überwachsens wird daher vorzugsweise beim Design eines Leistungs-BJT entsprechend den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung berücksichtigt, wobei eine Senke in der Basisschicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches, wie anhand von 2, 3, 6 und 7 gezeigt ist, geätzt wird.
  • Das epitaktische Aufwachsen von off-orientierten Substraten von Hexagona-SiC tritt im Allgemeinen vorherrschend infolge des Flusses bzw. Ablaufes von Aufwachsschritten gemäß Bereitstellung durch die Off-Orientierung der Kristallfläche von der Basiskristallebene {0001} auf. Derartige Aufwachsschritte können praktisch für eine Grabenseitenwand entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zur Flussrichtung verknappt sein, wie beispielsweise mit dem horizontalen Pfeil dargestellt ist, der in der oberen Zeichnung von 8 dargestellt ist, wobei eine ausgeprägte Kristallfacettierung an der rechtsseitigen Grabenseitenwand auftritt. Die darüber aufgewachsene Schicht kann in dem facettierten Bereich beispielsweise dünner als die Schicht sein, die auf den planaren Abschnitten des Substrates aufgewachsen ist. Die maximale Breite des facettierten Bereiches W kann aus der Beziehung W = ζ/sin(α) beurteilt werden, wobei α der Off-Orientierungswinkel (des Substrates) ist, während ζ die Dicke der darüber aufgewachsenen Schicht ist. Für eine facettierte Seitenwand kann der Offset zwischen der Emittermesakante und der Grabenkante, der in 8 mit D2 bezeichnet ist, vorzugsweise den Offset für eine nicht facettierte Seitenwand, der in 8 mit D1 bezeichnet ist, um annähernd die Breite des facettierten Bereiches übersteigen, das heißt, es gilt: D2 > (D1 + W) in der Breite.
  • In 8 zeigt die obere Zeichnung die Struktur nach der Aufbringung einer (Emitter-)Schicht 802 auf einem gemusterten Substrat 801 (oder einem gemusterten SiC-Wafer), während die untere Zeichnung die Struktur nach dem Ätzen einer Mesa oder erhöhten Struktur in der aufgebrachten Schicht 802 zeigt.
  • Des Weiteren wird bevorzugt, wenn die Emitterstreifen entlang der Off-Orientierungsrichtung orientiert sind, sodass die entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten eines Emitterstreifens symmetrisch vom Standpunkt der Aufwachsmorphologie her sind. Das Positionieren der Emitterstreifen parallel zu der Off-Orientierungsrichtung beseitigt oder verringert zumindest die Kristallfacettierung für die Richtung über die BJT-Einheitszelle hinweg und verringert die Notwendigkeit von exzessiven Designrändern. Ein vergrößerter Designrand kann weiterhin an einer der kurzen Seiten des Emitterstreifens bevorzugt werden, um das Risiko eines exzessiven Ätzens in dem Basisbereich infolge der Emitteroberflächenfacettierung zu verringern. Gleichwohl hat ein vergrößerter Rand an einer kürzeren Seite des Emitterstreifens keine (oder wenigstens nur geringe) Auswirkungen auf das BJT-Leistungsvermögen, da die Länge des Emitterstreifens eines Hochleistungs-BJT üblicherweise Hunderte Mikrometer oder Millimeter ist, was viel größer als der Rand infolge der Breite des facettierten Kristallabschnittes W ist.
  • Wie wiederum in 3 und 6 gezeigt ist, kann der SiC-BJT des Weiteren eine Defektaufhalteschicht DTL umfassen, die mit 315 beziehungsweise 615 bezeichnet ist, um das Risiko einer Bipolarverschlechterung zu verringern (die gegebenenfalls in allen aus Hexagonal-SiC hergestellten Injektionsvorrichtungen auftreten kann).
  • Im Allgemeinen ergibt sich eine Bipolarverschlechterung in SiC aus dem Wachstum von Stapelfehlern (SF), das durch eine Minoritätsträgerinjektion in der Vorrichtung induziert wird. Die Stapelfehler SF können entweder in As-grown-Material vorhanden sein oder aus Basisebenendislozierungen (Basal Plane Dislocations BPDen) als Ergebnis dessen entstehen, dass eine BPD im Shockley'sche Bruchteile (Shockley partials) zerteilt wird. Für den Fall einer BPD-Zerteilung bleibt einer der Bruchteile an den Ort der BPD gebunden, wohingegen der andere Bruchteil einige 10 oder sogar 100 μm in der Vorrichtung wandern kann, solange die Minoritätsträger für die führende Kante des Bruckteiles bereitgestellt werden. Das Rutschen der Bruchteilsdislozierung tritt im Allgemeinen innerhalb der Basiskristallebene (0001) auf, das heißt, es bildet einen bestimmten Winkel mit der Substratoberfläche, der gleich dem Substrat-Off-Orientierungswinkel ist. Der (0001)-Ebenenabschnitt zwischen den beiden Bruchteilen stellt sodann einen Stapelfehler dar. Bei einer Off-Orientierung von 2 bis 8° kann sogar ein einzelner Stapelfehler merklich große Abmessungen aufweisen.
  • Die Stapelfehler können resistive bzw. widerstandsbehaftete Barrieren für einen Stromfluss in der Vorrichtung bilden und Kanäle für eine schnelle Minoritätsträgerrekombination erzeugen. Das Wachstum von Stapelfehlern kann daher einen vertikalen Transport von Minoritätsträgern in der Vorrichtung unterdrücken und den Ein-Zustands-Vorwärtsspannungsabfall vergrößern. In BJTen verschlechtern Stapelfehler zudem das Leistungsvermögen. Insbesondere vergrößert das Wachstum von Stapelfehlern SF den Ein-Zustandswiderstand und senkt die Emitterstromverstärkung. Ein BJT mit einem Stapelfehler wird sodann im Sättigungsmodus in den Bereichen zwischen der Basis und dem Stapelfehler als Ergebnis einer derartigen Barriere betrieben, und zwar sogar bei Spannungen, die merklich über der Ein-Zustands-Kollektor-Emitter-Vorspannung (VCEon) sind.
  • Die Verschlechterung von Leistungs-BJTen in SiC kann verringert werden, wenn die BJT-Struktur auf einem Wafer mit einem niedrigen Off-Orientierungswinkel von etwa 2 bis 4° aufgewachsen wird und, wie beispielsweise in 3 gezeigt ist, wenn eine Defektaufhalteschicht DTL 315 zwischen dem Substrat 310 und der Kollektorschicht 320 angeordnet ist. Die DTL 315 (in 6 auch mit 615 bezeichnet) weist eine doppelte Funktion auf. Zunächst beseitigt oder zumindest verringert sie die Ausbreitung von BPDen in dem BJT, da sie die BPDen in Threading-Kantendislozierungen (threading edge dislocations) umwandelt. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass Threading-Kantendislozierungen keine Stapelfehler unter den Bedingungen einer Minoritätsträgerinjektion erzeugen. Zweitens sperrt die DTL 315 den Zugang von Minoritätsträgern, die in der Kollektorschicht 320 während des Betriebes des BJT 300 vorhanden sein können, oder vermindert diesen zumindest. Vorteilhafterweise weist die DTL ein Dotierniveau (beispielsweise eine Stickstoffkonzentration) auf, die in dem Bereich von etwa 2 × 1018 cm–3 bis 2 × 1019 cm–3 umfasst ist, sowie eine Dicke, die in dem Bereich von etwa 12 bis 30 μm umfasst ist. Man beachte, dass dünnere Schichten und niedrigere Dotierniveaus der DTL dabei versagen können, im Wesentlichen das Wachstum von Stapelfehlern von den BPDen (oder BPD-Abschnitten) fernzuhalten, die in der DTL vorhanden sind. Des Weiteren verschlechtert eine zu hohe Stickstoffkonzentration tendenziell die Schichtmorphologie und die Gesamtqualität.
  • Experimentelle Ergebnisse von 10-Ampere-SiC-BJTen, die auf einem 4-Inch-SiC-Wafer hergestellt sind und eine derartige DTL aufweisen, sind vielversprechend. Bei dem Experiment wiesen die Komponenten (SiC-BJTen) eine Fläche von annähernd 5,5 mm2 auf, wobei jede Komponente mit einem Basiskollektorstrom von 1,4 A bei 100°C für 10 min beaufschlagt wurde, was üblicherweise ausreichend ist, um eine merkliche Bipolarverschlechterung in gegebenenfalls instabilen BJTen zu induzieren. Die Vorrichtungen, die nach der Basis-Kollektor-Beaufschlagung verschlechterungsfrei waren, zeigten keinerlei Anzeichen für eine Bipolarverschlechterung während Hunderten von Betriebsstunden und/oder bei einer weiteren Basis-Kollektor-Beaufschlagung. Von den annähernd 170 auf dem 4-Inch-SiC-Wafer hergestellten Chips wiesen nur vier Chips Anzeichen einer Verschlechterung auf. Weitere Einzelheiten über die DTLen sind zudem in der schwedischen Patentanmeldung SE1051137-6 und der vorläufigen US-Patentanmeldung 61408173 vom selben Rechtsinhaber offenbart, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
  • In 9 gezeigt ist eine schematische Ansicht eines SiC-BJT entsprechend einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt einen SiC-BJT 1200, der ein Substrat 1210 umfasst, auf dem ein Kollektorbereich 1220, ein Basisbereich 1240 und ein Emitterbereich 1260 als Stapel angeordnet sind. Der Kollektorbereich 1220, der Basisbereich 1240 und der Emitterbereich 1260 können epitaktisch aufgewachsen sein, was nachstehend noch detailliert beschrieben wird. Der in 9 gezeigte SiC-BJT 1200 kann ein NPN-SiC-BJT sein, so beispielsweise der in Verbindung mit 1 beschriebene, das heißt, mit einer niedrig dotierten, vom n-Typ seienden Kollektorschicht 1220 mit Aufwachsung oberhalb eines hoch dotierten vom n-Typ seienden Substrates 1210, einer vom p-Typ seienden Basisschicht 1240 und einer hoch dotierten vom n-Typ seienden Emitterschicht 1260. Nach dem Mustern (beispielsweise über Fotolithografie und Ätztechniken) der Emitterschicht bildet der Emitterbereich 1260 eine erhöhte Struktur oder Mesastruktur, die durch äußere Seitenwände 1265 oberhalb des Stapels festgelegt ist. Optional kann der SiC-BJT 1200 des Weiteren eine Defektaufhalteschicht DTL 1215 (vorzugsweise vom n-Typ) zwischen dem Substrat 1210 und dem Kollektorbereich 1220 zur Unterdrückung einer Bipolarverschlechterung umfassen.
  • Des Weiteren umfasst der SiC-BJT 1200 einen intrinsischen Basisbereich 1245 entsprechend dem Abschnitt 1245 des Basisbereiches 1240, der die Grenzfläche zu dem Emitterbereich 1260 bildet (das heißt der Abschnitt des Basisbereiches 1240, der von dem Emitterbereich 1260 gedeckelt ist), wobei der intrinsische Basisbereich 1245 einen ersten Abschnitt 1246 mit einer ersten Dotiermitteldosis beinhaltet. Obwohl aus Gründen der Einfachheit das Bezugszeichen 1245, das den intrinsischen Basisbereich bezeichnet, in der Zeichnung in dem Kollektorbereich 1220 platziert ist, sollte einsichtig sein, dass der intrinsische Basisbereich 1245 den Abschnitt des Basisbereiches 1240 bezeichnet, der die Grenzfläche zu dem Emitterbereich 1260, wie vorstehend definiert worden ist, bildet. Der SiC-BJT 1200 umfasst des Weiteren zwei Abschirmbereiche 1244 mit einer zweiten Dotiermitteldosis, die höher als die erste Dotiermitteldosis ist. Die Abschirmbereiche 1244 sind an seitlich entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten des ersten Abschnittes 1246 derart angeordnet, dass sie seitlich den ersten Abschnitt 1246 umgeben, und erstrecken sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt 1246. Da sich die Abschirmbereiche 1244 tiefer in den Kollektorbereich 1220 hinein als der erste Abschnitt 246 erstrecken, stellt ein Zwischenabschnitt des Kollektorbereiches 1220 zwischen den Abschirmbereichen 1244 einen Kanalabschnitt 1225 des Kollektorbereiches 1220 bereit. Hierbei ist der Kanalabschnitt 1225 der Abschnitt des Kollektorbereiches 1220, der seitlich von einem Abschirmbereich 1244 zu dem entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Abschirmbereich 1244 und vertikal von unterhalb des ersten Abschnittes 1246 (das heißt der Grenzfläche zwischen dem ersten Abschnitt 1246 und dem Kollektorbereich 1220) zu der Unterseite (das heißt der unteren Grenze) der Abschirmbereiche 1244 reicht. Die Abschirmbereiche 1244 sind vom selben Leitfähigkeitstyp wie der erste Abschnitt 1246 und können vorzugsweise einen Teil des Basisbereiches 1240 des SiC-BJT 1200 bilden, was beim vorliegenden Beispiel mit einem NPN-SiC-BJT bedeutet, dass die Abschirmbereiche 1244 vom p-Typ seiende Bereiche sind. Der erste Abschnitt 1246 des intrinsischen Basisbereiches 1245 ist damit dünner als der verbleibende Teil des Basisbereiches 1240 und insbesondere als die Abschnitte des Basisbereiches 1240 zur Bildung der Abschirmbereiche 1244. Damit wird unter Verwendung einer Basisschicht mit einem vergleichsweise gleichmäßigen Dotierniveau die Dotiermitteldosis des Basisbereiches 1240 in dem ersten Abschnitt 1246, das heißt in dem aktiven Abschnitt hiervon, durch Verringern der Dicke des ersten Abschnittes 1246 relativ zu den Abschirmbereichen 1244 gesenkt. Im Ergebnis wird die elektrische Ladung in dem ersten Abschnitt 1246 im Vergleich zur elektrischen Ladung in den Abschirmbereichen 1244 verringert.
  • Während Ein-Zustandsbedingungen tritt der Stromtransport vornehmlich durch den Kanalabschnitt 1225 (das heißt durch die Öffnung zwischen den beiden Abschirmbereichen 1244) und dem ersten (niedrig dotierten) Abschnitt 1246 des intrinsischen Basisbereiches 1245 auf, wohingegen der Beitrag des Injektionsstromes durch die Abschirmbereiche 1244 (das heißt die eine hohe Dosis aufweisenden Abschnitte des Basisbereiches 1240) zu dem Gesamtkollektorstrom niedrig ist. Eine höhere Stromverstärkung des SiC-BJT 1200 kann damit infolge des niedrigeren Dotierniveaus des ersten Abschnittes 1246 erreicht werden. Die Hauptfunktion der Abschirmbereiche 1244 besteht in der Abschirmung des ersten (eine niedrige Dosis aufweisenden) Abschnittes 1246 von dem elektrischen Feld (an der Basis-Kollektor-Grenzfläche) infolge der hohen Kollektorvorspannung während der Sperrbedingungen, wodurch der erste Abschnitt 1246 weniger verarmt bzw. entleert oder sogar überhaupt nicht verarmt bzw. entleert wird, und der Punch-Through-Effekt verringert wird.
  • Der Abschirmeffekt hängt von den Abmessungen der Abschirmbereiche 1244 und des Kanalbereiches 1225 gemäß Definition durch die Abschirmbereiche 1244 ab. Seichtere bzw. flachere Abschirmbereiche 1244 und ein breiterer Kanalabschnitt 1225 (W >> H, wobei H die Höhe und W die Hälfte der Breite des Kanalabschnittes 1225 ist) stellen einen geringeren Abschirmeffekt und einen geringeren Kanalwiderstand gegenüber einem Vertikalstromfluss bereit, während tiefere Abschirmbereiche 1244 und ein schmälerer Kanalabschnitt 1225 (W << H) einen stärkeren Abschirmeffekt und einen stärkeren Kanalwiderstand gegenüber einem Vertikalstromfluss bereitstellen. Daher können sich die Abschirmbereiche 1244 vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt 1246 um einen Abstand erstrecken, der etwa 15% bis 150%, vorzugsweise etwa 40% bis 60% und besonders bevorzugt etwa 50% der Breite des Abschnittes 1225 des Kollektorbereiches 1220 zur Trennung der Abschirmbereiche 1244 entspricht. Mit anderen Worten, das Seitenverhältnis H/W des Kanalabschnittes 1225 kann vorzugsweise gleich etwa 1/3 bis 3 und besonders bevorzugt etwa 1 zur Bereitstellung eines ausreichend hohen Abschirmeffektes und eines ausreichend niedrigen Kanalwiderstandes sein.
  • Das optimale Seitenverhältnis H/W des Kanalabschnittes 1225 hängt jedoch von den gewünschten Kenngrößen des SiC-BJT ab. Ein höheres Seitenverhältnis H/W ermöglicht einen dünneren Basisbereich mit einer niedrigeren Akzeptordotierung, wodurch eine höhere Stromverstärkung erreicht wird. Demgegenüber führt ein niedrigeres Seitenverhältnis H/W des Kanalabschnittes 1225 zu einem niedrigeren Kanalwiderstand und einem niedrigeren Vorwärtsspannungsabfall. Damit können die Vorrichtungscharakteristiken entsprechend einem gewünschten Leistungsvermögen des SiC-BJT angepasst werden. 10 zeigt die simulierte Abhängigkeit des Screeningfaktors des elektrischen Feldes, der die Effizienz der Abschirmwirkung für die Abschirmbereiche 1244 darstellt, als Funktion des Seitenverhältnisses H/W für einen SiC-BJT mit einem 2 μm breiten Kanalabschnitt 225 (das heißt W = 1 μm). Der Screeningfaktor des elektrischen Feldes, der auch mit Fscr bezeichnet werden kann, ist das Verhältnis des maximalen elektrischen Feldes in der Mitte des Abschirmbereiches 1244 zu dem maximalen elektrischen Feld in der Mitte des Kanalabschnittes 1225. Bei der in 10 dargestellten Simulation wurde der Screeningfaktor des elektrischen Feldes nummerisch unter Verwendung eines herkömmlichen verfügbaren TCAD-Programms (Technologie-CAD) für eine Spannung gleich der theoretischen Avalanche-Durchschlagsspannung des SiC-BT berechnet. Die Dicke und die Dotierung des Kollektorbereiches wurden bei 10 μm beziehungsweise 9 × 1015 cm–3 gewählt. Wie aus 10 ersichtlich ist, nahm der Screeningfaktor des elektrischen Feldes, das heißt der Abschirmeffekt, mit einem zunehmenden Seitenverhältnis H/W zu. Bei einem herkömmlichen SiC-BJT (wir in 1 gezeigt ist) ist die unterste Grenze für die Basisdosis durch das Punch-Through der Basis bei einer hohen Sperrspannung bestimmt. Entsprechend dem Gauß'schen Gesetz ist eine derartige Dosis annähernd gleich: Qaval = ε × ε0 × Eaval/q Gleichung 2
  • Hierbei ist ε0 die dielektrische Konstante, ε die Permittivität von SiC, q die Elektronenladung und Eaval das Avalanche-Durchschlagsfeld, das in dem Bereich von 2 bis 3 MV/cm bei SiC für für für Hochleistungsvorrichtungen relevante Durchschlagsspannungen ist. Qaval kann daher in dem Bereich von 1,1 × 1013 und 1,6 × 1013 Akzeptoren pro Quadratzentimeter in Abhängigkeit von der erforderlichen Sperrspannung des Basis-Kollektor-Überganges sein.
  • Ein herkömmlicher SiC-BJT unter Verwendung einer Basisakzeptordosis, die niedriger als Qaval ist, erreicht die theoretische Grenze für die Sperrspannung, die durch den Avalance-Durchschlag gesetzt ist, nicht, und es wird der Basisbereich vollständig bei einer niedrigeren Spannung verarmt bzw. entleert (Punch Through). Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Punch-Through-Effekt jedoch infolge der Abschirmbereiche 1244 verringert, weshalb eine niedrigere Akzeptordosis für den ersten Abschnitt 1246 des Basisbereiches 1240 mit einem verringerten Risiko für den Basis-Punch-Through verwendet werden kann. Die Emitterstromverstärkung eines BJT weist eine reziproke Abhängigkeit von der Akzeptordosis in dem Basisbereich auf, wodurch der SiC-BJT entsprechend der vorliegenden Erfindung eine höhere Stromverstärkung als ein herkömmlicher SiC-BJT bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer höheren Stromsperrspannung aufweist.
  • Die Akzeptordosis in dem ersten (eine niedrige Dosis aufweisenden) Basisbereich kann um annähernd den Faktor Fscr im Vergleich zu der Akzeptordosis einer Basis eines herkömmlichen planaren SiC-BJT gesenkt werden. Eine noch größere Abnahme der Akzeptordosis in der Basis kann erreicht werden, wenn die Aus-Zustandsbedingungen durch Anlegen einer Umkehrvorspannung (reverse bias) an dem Basis-Emitter-Übergang aufrechterhalten werden. Die Minimaldosis von Akzeptoren in den Abschirmbereichen 1244 kann vorzugsweise Qaval übersteigen.
  • Des Weiteren kann der erste Abschnitt 1246 seitlich weg von den äußeren Seitenwänden 1265 des Emitterbereiches 1260 durch Abschnitte 1247 des Abschirmbereiches 1244 beabstandet sein, die nachstehend als Beabstandungsabschnitte 1247 bezeichnet werden, wie in 9 gezeigt ist. Als Ergebnis einer Verringerung der elektrischen Ladung des ersten Abschnittes 1246 im Vergleich zur elektrischen Ladung des Beabstandungsabschnittes 1247 des Abschirmbereiches 1244 (infolgedessen, dass die erste Dotierdosis niedriger als die zweite Dotierdosis ist) wird das Risiko eines Punch-Through in der Umgebung der äußeren Seitenwände oder Kanten 1265 des Emitterbereiches 1260 infolge der Beabstandungsabschnitte 1247 verringert. Die Dotiermitteldosis der Beabstandungsabschnitte 1247 kann des Weiteren relativ zu der Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes 1246 durch Anpassen des Dotierniveaus in den Abschirmbereichen 1244 oder wenigstens örtliches Anpassen des Dotierniveaus in den Beabstandungsabschnitten 1247 der Abschirmbereiche 1244 angepasst werden.
  • Es ist einsichtig, dass der SiC-BJT 1200 des Weiteren ohmsche Kontakte zu dem Kollektorbereich 1220 beispielsweise über eine Kontaktschicht 1221 an der Hinterseite des Substrates 1210, eine Kontaktschicht 1241 zu dem Basisbereich 1240 und eine Kontaktschicht 1261 zu dem Emitterbereich 1260 aufweisen kann. Des Weiteren kann eine dielektrische Beschichtung 1270, so beispielsweise ein Oxid, an den Seitenwänden 1265 des Emitterbereiches 1260 vorgesehen sein und optional auch einen Teil des oberen Abschnittes des Emitterbereiches 1260 bedecken, was dahingehend von Vorteil ist, dass die Oberflächenrekombination verringert und dadurch zudem die Stromverstärkung des SiC-BJT 1200 verbessert wird.
  • In 11 gezeigt ist eine schematische Ansicht einer SiC-Leistungsvorrichtung entsprechend einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Querschnittsansichten sind entlang der Linien A-A und B-B der Draufsicht (das heißt die untere linke Darstellung) genommen.
  • 11 zeigt eine SiC-Leistungsvorrichtung 1400, die eine einzelne Emittermesa 1460 umfasst, die für eine Mehrzahl von Einheitszellen (BJTen) verwendet wird. Die Struktur und das Betriebsprinzip einer jeden Einheitszelle sind dieselben wie die Struktur und das Betriebsprinzip des SiC-BJT 1200, der anhand von 9 beschrieben worden ist. Die SiC-Leistungsvorrichtung 1400 umfasst eine Kollektorschicht 1420, eine Basisschicht 1440 und eine Emittermesa 1460, die als Stapel angeordnet sind. Die Basisschicht 1440 umfasst eine Mehrzahl von ersten Abschnitten 1446, die als Streifen unterhalb der Emittermesa 1460 gebildet werden, sowie Abschirmbereiche 1444, die seitlich jeden ersten Abschnitt 1446 umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt 1446 erstrecken. Kanalabschnitte 1425 sind zwischen entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Abschirmbereichen 1444 und unterhalb eines jeden ersten Abschnittes 1446 angeordnet. Jeder Kanalabschnitt 1425 ist in den Basisbereich 1440 hinein erhöht. Die Emittermesa 1460 kann vorzugsweise merklich breiter als die Lücke zwischen den Abschirmbereichen 1444 von benachbarten Einheitszellen sein. Die Streifen der ersten (eine niedrige Dosis aufweisenden) Basisbereiche 1446 sind im Wesentlichen senkrecht zu dem Emittermesastreifen 1460 orientiert.
  • Des Weiteren sind Basiskontakte 1441 und ein Emitterkontakt 1461 zum elektrischen Verbinden der Basis 1440 beziehungsweise des Emitters 1460 vorgesehen. Die dielektrische Passivierungsschicht, die Pufferschicht, das Substrat und der Kollektorkontakt sind in 11 weggelassen, um die Figur nicht unklar zu machen. In 12A und 12B ist ein Verfahren zur Wiederherstellung eines SiC-BJT entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die grundlegende Struktur und das grundlegende Betriebsprinzip des SiC-BJT von 12A und 12B sind dasselbe wie die Struktur und das Betriebsprinzip des SiC-BJT 1200, die anhand von 9 beschrieben worden sind.
  • Entsprechend dem in 12A und 12B gezeigten Ausführungsbeispiel können die Abschirmbereiche 1544 des SiC-BJT 1500 durch Ionenimplantation in dem Kollektorbereich 1520 gebildet werden. Wie in 12A gezeigt ist, können die Emitterbereiche 1560 mit einer Ionenimplantationsmaske 1580 geschützt (bedeckt) werden, und es können Ionen (beispielsweise Aluminiumionen) anschließend in den Abschnitten des Kollektorbereiches 1520 implantiert werden, die nicht von der Emittermesa 1560 und der Ionenimplantationsmaske 1580 bedeckt (oder damit gedeckelt) sind. Im Ergebnis sind die Abschirmbereiche 1544 durch die ionenimplantierten Bereiche des Kollektorbereiches 1520 gebildet, die seitlich den ersten Abschnitt 1546 des intrinsischen Basisbereiches umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel (und in dem Kollektorbereich 1520) als der erste Abschnitt 1546 erstrecken. Die Ionen werden sodann durch ein Hochtemperaturaushärten (high temperature anneal) aktiviert, und es werden Basiskontakte 1541, Emitterkontakte 1561 und ein Kollektorkontakt 1521 an den Abschirmbereicheen 1544 (in Kontakt mit dem Basisbereich), den Emitterbereichen 1560 und der Hinterseite des Substrates 1510, an der der Kollektorbereich 1520 angeordnet ist, bezugsrichtig, wie in 12B gezeigt ist, gebildet. Eine elektrische Verbindung von den Basiskontakten 1541 zu dem ersten Abschnitt 1546 wird durch die seitliche Erstreckung der Abschirmbereiche 1544 unterhalb der Emittermesa gefördert. Die seitliche Erstreckung kann durch seitliches Wandern (straggle) und/oder eine Diffusion von implantierten Akzeptorionen bereitgestellt werden. Der erste Abschnitt 1546 des intrinsischen Basisbereiches kann vorzugsweise ein Epitaxialmaterial zur Förderung der Minoritätsträgerlebensdauer beinhalten. Der epitaktische erste Abschnitt 1546 kann durch ein epitaktisches Aufwachsen einer Basisschicht auf der Kollektorschicht 1520 (die wiederum epitaktisch auf einem Substrat 1510 aufgewachsen werden kann) vor der Ionenimplantation bereitgestellt werden. Die epitaktisch aufgewachsenen extrinsischen Basisschichten können sodann vor einer Ionenimplantation optional vollständig durch Trockenätzen entfernt oder teilweise entfernt werden, wobei die Durchdringung von implantierten Ionen die Dicke der epitaktischen extrinsischen Basisschicht (beispielsweise hinunter in den Kollektorbereich 1544) übersteigen kann.
  • In 13A bis 13F ist ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-BJT entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die grundlegende Struktur und das Betriebsprinzip des SiC-BJT von 13A bis 13F sind dieselben wie die Struktur und das Betriebsprinzip des SiC-BJT 1200, der anhand von 9 beschrieben worden ist.
  • Entsprechend dem in 13A bis 13F gezeigten Ausführungsbeispiel können die Abschirmbereiche 1644 des SiC-BJT 1600 durch epitaktisches Aufwachsen gebildet werden. Ein Beispiel für eine Abfolge von Schritten zur Herstellung eines SiC-BJT 1600 mit epitaktisch aufgewachsenen Abschirmbereichen 1644 wird nachfolgend beschrieben.
  • Wie in 13A gezeigt ist, wird eine vom n0-Typ seiende Kollektorschicht 1620 epitaktisch auf einem vom n+-Typ seienden Substrat 1610 aufgewachsen und anschließend gemustert (beispielsweise durch eine Fotolithografietechnik) sowie zur Bereitstellung einer erhöhten Mesastruktur 1625 in der Kollektorschicht 1620 geätzt. Die erhöhte Mesastruktur 1625 ist der Abschnitt des Kollektorbereiches 1620, der zu dem Kanalabschnitt 1625 des SiC-BJT 1600, wie in 13F gezeigt ist, wird. Anschließend wird eine vom p-Typ seiende Abschirmschicht 1650 epitaktisch auf der Kollektorschicht 1620 derart aufgewachsen, dass die erhöhte Mesastruktur 1655 in der Abschirmschicht 1650 (wie in 13B gezeigt ist) gebildet wird. Zur Planarisierung des durch das Substrat 1610, die Kollektorschicht 1620 und die Abschirmschicht 1650 gebildeten Stapels wird eine Opferschicht 1680 (so beispielsweise eine Oxidschicht) auf die nichterhöhten Abschnitte der Abschirmschicht 1650 (wie in 13C gezeigt ist) aufgebracht. Die Opferschicht 1680 und der erhöhte Abschnitt 1655 der Abschirmschicht 1650 werden sodann durch Hinabätzen zu dem erhöhten Abschnitt 1625 der Kollektorschicht 1620 entfernt, was zu einer (im Wesentlichen) ebenen Struktur führt, wie in 13D gezeigt ist. Die Entfernung des erhöhten Abschnittes 1655 der Abschirmschicht 1650 führt zu zwei Abschirmbereichen 1644 auf entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten des erhöhten Abschnittes 1625 der Kollektorschicht 1620. Eine vom p-Typ seiende Basisschicht 1690 wird sodann oberhalb der Abschirmschicht 1650 und des erhöhten Abschnittes 1625 der Kollektorschicht 1620 derart aufgebracht, dass die Basisschicht 1690 und die Abschirmschicht zusammen den Basisbereich 1640 des SiC-BJT 1600 (wie in 13E gezeigt ist) bilden. Des Weiteren wird eine vom n–-Typ seiende Emitterschicht 1667 auf der Basisschicht 1690 aufgebracht. Die Emitterschicht 1667 wird sodann gemustert und geätzt, um eine Emittermesa 1660 zu bilden, die mit dem erhöhten Abschnitt 1625 der Kollektorschicht 1620 (wie in 13F gezeigt ist) ausgerichtet ist. Damit ist die Emittermesa 1660 über dem erhöhten Abschnitt, das heißt dem Kanalabschnitt 1625 der Kollektorschicht 1620, derart positioniert, dass der Abschnitt der Basisschicht 1690, der zwischen dem Kanalabschnitt 1625 und der Emittermesa 1660 befindlich ist, den ersten Abschnitt 1646 als Teil des intrinsischen Basisbereiches bildet. Vorzugsweise kann die Breite des Kanalabschnittes 1625 der Kollektorschicht 1620 schmaler als die Emittermesa 1660 sein, sodass Abschnitte der Abschirmbereiche 1644 seitlich den ersten Abschnitt 1646 von den äußeren Kanten der Emittermesa 1660 trennen können.
  • Die seitlichen (oder im Wesentlichen vertikalen) Kanten des Kanalabschnittes 1625 können geringfügig geneigt sein, wie in 13F gezeigt ist. In diesem Fall kann die Breite bei wenigstens der Hälfte der Höhe H des Kanalabschnittes 1625 zur Bestimmung eines angemessenen Seitenverhältnisses des Kanalabschnittes 1625 verwendet werden. Im Allgemeinen kann, wenn der Kanalabschnitt eine Breite aufweist, die mit der vertikalen Erstreckung hiervon variiert, das Seitenverhältnis des Kanalabschnittes vorzugsweise auf Grundlage der Durchschnittsbreite des Kanalabschnittes bestimmt werden.
  • Die nachfolgenden Herstellungsschritte können identisch zu denjenigen bei herkömmlichen SiC-BJTen sein.
  • Es sollte einsichtig sein, dass die Leitfähigkeitstypen der verschiedenen Schichten je nach Bedarf angepasst werden können und dass das Vorbeschriebene nur ein Beispiel für die Leitfähigkeitstypen ist, die für einen vom NPN-Typ seienden SiC-BJT verwendet werden können.
  • Obwohl die Erfindung anhand spezifischer exemplarischer Ausführungsbeispiele hiervon beschrieben worden ist, erschließen sich verschiedene Abwandlungen, Abänderungen und dergleichen einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen daher nicht den Umfang der Erfindung gemäß Definition in den beigefügten Ansprüchen beschränken. Beispielsweise können die Abschirmbereiche sowohl epitaktisch aufgewachsene wie auch ionenimplantierte Bereiche sein, wobei der SiC-BJT auch durch Kombinieren der Herstellungsschritte gemäß Beschreibung anhand von 12A und 12B mit den Herstellungsschritten gemäß Beschreibung anhand von 13A bis 13F hergestellt werden kann.
  • Des Weiteren kann der SiC-BJT mehr als einen ersten Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches enthalten, der durch einen oder mehrere zusätzliche Abschirmbereiche getrennt ist. Infolgedessen kann der Kollektorbereich mehr als einen Kanalabschnitt umfassen, da Kanalabschnitte so unterhalb eines jeden ersten Abschnittes (und zwischen benachbarten Abschirmbereichen) angeordnet sein können.

Claims (27)

  1. Siliziumkarbidbipolartransistor SiC-BJT (200), umfassend einen Kollektorbereich (220), einen Basisbereich (240) und einen Emitterbereich (260), die als Stapel angeordnet sind, wobei der Emitterbereich eine erhöhte Struktur bildet, die durch äußere Seitenwände (265) oberhalb des Stapels festgelegt ist, wobei der Abschnitt des Basisbereiches, der eine Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, den intrinsischen Basisbereich (245) festlegt, wobei der intrinsische Basisbereich einen ersten Abschnitt (246) umfasst, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt (247) beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  2. SiC-BJT nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches dünner als wenigstens der zweite Abschnitt und vorzugsweise als der verbleibende Teil des Basisbereiches ist.
  3. SiC-BJT nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Abschnitt eine Dotierkonzentration aufweist, die höher als die Dotierkonzentration des ersten Abschnittes ist.
  4. SiC-BJT nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Abschnitt des Basisbereiches, der eine höhere Dotiermitteldosis aufweist und den zweiten Abschnitt beinhaltet, seitlich in dem Abschnitt des Basisbereiches außerhalb des intrinsischen Basisbereiches erstreckt.
  5. SiC-BJT nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bedeckungsfläche des zweiten Abschnittes in dem intrinsischen Basisbereich etwa 50% nicht übersteigt und/oder wobei die Breite des zweiten Abschnittes in dem Bereich von etwa 0,5 bis 5 μm ist.
  6. SiC-BJT nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Basisbereich zwei Schichten, eine erste Schicht (343), die eine Grenzfläche zu dem Kollektorbereich bildet, und eine zweite Schicht (348) oberhalb der ersten Schicht, umfasst, wobei das Dotierniveau der ersten Schicht niedriger als das Dotierniveau der zweiten Schicht ist und wobei die zweite Schicht eine Senke umfasst, die sich in Richtung zu der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches erstreckt.
  7. SiC-BJT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Basisbereich eine Schicht umfasst, die ein Dotierniveau aufweist, das sich stufenartig und/oder auf gestaffelte Weise entlang einer Richtung von dem Kollektorbereich zu dem Emitterbereich vergrößert, wobei die Schicht eine Senke zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches umfasst.
  8. SiC-BJT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Basisbereich zwei Schichten, eine erste Schicht (643), die eine Grenzfläche zu dem Kollektorbereich bildet und in der eine Senke zum Festlegen des ersten Abschnittes des intrinsischen Basisbereiches ausgebildet ist, und eine zweite Schicht (648), die oberhalb der ersten Schicht zum Bilden einer Grenzfläche zu dem Emitterbereich angeordnet ist, umfasst, wobei das Dotierniveau der ersten Schicht höher als das Dotierniveau der zweiten Schicht ist.
  9. SiC-BJT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der SiC-BJT zwei zweite Abschnitte umfasst, die als Abschirmbereiche (1244) wirken, wobei die zweiten Abschnitte denselben Leitfähigkeitstyp wie der Basisbereich (1240) und eine Dotiermitteldosis aufweisen, die höher als die Dotiermitteldosis des ersten Abschnittes (1246) ist, wobei die Abschirmbereiche seitlich den ersten Abschnitt umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt erstrecken.
  10. SiC-BJT nach Anspruch 9, wobei sich die Abschirmbereiche vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt um einen Abstand (H) erstrecken, der etwa 15% bis 150%, vorzugsweise etwa 40% bis 60% und besonders bevorzugt etwa 50% der Breite (2W) des Abschnittes (1225) des die Abschirmbereiche trennenden Kollektorbereiches entspricht.
  11. SiC-BJT nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Abschirmbereiche epitaktisch aufgewachsene und/oder ionenimplantierte Bereiche sind.
  12. SiC-BJT nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei sich die Abschirmbereiche seitlich von dem ersten Abschnitt aus außerhalb des intrinsischen Basisbereiches erstrecken.
  13. SiC-BJT nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Abschirmbereiche einen Teil des Basisbereiches bilden.
  14. SiC-BJT nach einem der Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt einer höheren Dotiermitteldosis als Streifen ausgebildet ist, die sich längsläufig von einer äußeren Seitenwand des Emitterbereiches hin zu einer entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seitenwand des Emitterbereiches erstrecken.
  15. SiC-BJT nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stapel auf einem Substrat vorgesehen ist, das eine off-axis-Orientierung aufweist, die in dem Bereich von etwa 2 bis 4° umfasst ist, und wobei eine Defektaufhalteschicht zwischen dem Substrat und dem Kollektorbereich angeordnet ist, wobei die DTL eine Dicke, die in dem Bereich von 12 bis 30 μm umfasst ist, und ein Dotierniveau, das in dem Bereich von 2 × 1018 cm–3 bis 2 × 1019 cm–3 umfasst ist, aufweist.
  16. SiC-Leistungsvorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von BJTen wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert, wobei die BJTen als ein- oder zweidimensionale Feldanordnung angeordnet sind und miteinander über Verbindungsmittel verbunden sind.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkarbidbipolartransistors SiC-BJT (200), der einen Kollektorbereich (220), einen Basisbereich (240) und einen Emitterbereich (260) beinhaltet, die als Stapel angeordnet sind, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Basisschicht auf einer Kollektorschicht; Bereitstellen des Emitterbereiches oberhalb der Basisschicht, wobei der Emitterbereich eine erhöhte Struktur bildet, die durch äußere Seitenwände (265) festgelegt ist, wobei der Abschnitt der Basisschicht, der eine Grenzfläche zu dem Emitterbereich bildet, den intrinsischen Basisbereich (245) festlegt; wobei der intrinsische Basisbereich einen ersten Abschnitt (246) umfasst, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des Emitterbereiches durch einen zweiten Abschnitt (247) beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der erste Abschnitt des intrinsischen Basisbereiches dünner als wenigstens der zweite Abschnitt und vorzugsweise der verbleibende Teil des Basisbereiches ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Basisschicht beinhaltet: Bereitstellen einer ersten Schicht (343) auf der Kollektorschicht, Bereitstellen einer zweiten Schicht (348) oberhalb der ersten Schicht, wobei das Dotierniveau der ersten Schicht niedriger als das Dotierniveau der zweiten Schicht ist; in der zweiten Schicht erfolgendes Bilden einer Senke, die sich in Richtung zu der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes (346) des Basisbereiches in der ersten Schicht erstreckt; und wobei der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches ein Ausrichten des Emitterbereiches oberhalb der zweiten Schicht derart, dass der zweite Abschnitt Material der zweiten Schicht beinhaltet, beinhaltet.
  20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Basisschicht beinhaltet: Bereitstellen einer ersten Schicht (643) auf der Kollektorschicht; Bilden einer Senke in der ersten Schicht zum Festlegen des ersten Abschnittes (646) des Basisbereiches; Bereitstellen einer zweiten Schicht (648) oberhalb der ersten Schicht, wobei das Dotierniveau der ersten Schicht höher als das Dotierniveau der zweiten Schicht ist; und wobei der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches ein Ausrichten des Emitterbereiches oberhalb der zweiten Schicht derart beinhaltet, dass der zweite Abschnitt Material der ersten Schicht beinhaltet.
  21. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Basisschicht ein Dotierniveau aufweist, das sich stufenartig und/oder auf gestaffelte Weise von der Seite des Basisbereiches mit Bildung einer Grenzfläche zu dem Kollektorbereich hin zu dem Emitterbereich vergrößert, wobei das Verfahren des Weiteren die nachfolgenden Schritte umfasst: Bilden einer Senke in der Basisschicht zum Festlegen des ersten Abschnittes des Basisbereiches; und wobei der Schritt des Bereitstellens des Emitterbereiches ein Ausrichten des Emitterbereiches oberhalb der Basisschicht derart beinhaltet, dass der zweite Abschnitt Material eines höheren Dotierniveaus als desjenigen des ersten Abschnittes beinhaltet.
  22. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, des Weiteren umfassend den Schritt des Bildens von zwei zweiten Abschnitten, die als Abschirmbereiche (1244) wirken, die denselben Leitfähigkeitstyp wie der Basisbereich und eine zweite Dotiermitteldosis aufweisen, die höher als die erste Dotiermitteldosis ist, wobei die Abschirmbereiche seitlich den ersten Abschnitt umgeben und sich vertikal weiter nach unten in dem Stapel als der erste Abschnitt erstrecken.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Bildens der Abschirmbereiche einen Schritt der Ionenimplantation beinhaltet.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Ionenimplantation in Abschnitten der Kollektorschicht vorgenommen wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der Schritt des Bildens der Abschirmbereiche einen Schritt des epitaktischen Aufwachsens der Abschirmbereiche auf der Kollektorschicht beinhaltet.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, des Weiteren beinhaltend die nachfolgenden Schritte: Bilden einer erhöhten Mesastruktur (1625) in der Kollektorschicht; epitaktisches Aufwachsen einer Abschirmschicht (1650) auf der Kollektorschicht, wodurch eine erhöhte Mesastruktur (1655) in der Abschirmschicht gebildet wird; Bilden einer Opferschicht (1680) auf den nichterhöhten Abschnitten der Abschirmschicht; Entfernen der Opferschicht und des erhöhten Abschnittes der Abschirmschicht durch Hinabätzen zu dem erhöhten Abschnitt der Kollektorschicht; Bilden einer Basisschicht (1690) oberhalb der Abschirmschicht und des erhöhten Abschnittes der Kollektorschicht; und Bilden einer Emitterschicht (1677) auf der Basisschicht.
  27. Einheitszelle einer Leistungshalbleitervorrichtung, die einen ersten Bereich, der einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, einen zweiten Bereich, der einen zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und einen dritten Bereich, der den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, umfasst, wobei der erste Bereich, der zweite Bereich und der dritte Bereich als Stapel angeordnet sind, wobei der dritte Bereich eine erhöhte Struktur bildet, die durch äußere Seitenwände oberhalb des Stapels festgelegt ist, wobei der Abschnitt des zweiten Bereiches, der eine Grenzfläche zu dem dritten Bereich bildet, einen aktiven Bereich des dritten Bereiches festlegt, wobei der aktive Bereich einen ersten Abschnitt umfasst, der seitlich weg von den äußeren Seitenwänden des dritten Bereiches durch einen zweiten Abschnitt beabstandet ist, der eine Dotiermitteldosis aufweist, die höher als diejenige des ersten Abschnittes ist.
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