DE112012003258T5 - Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Eine erste Schicht (34) ist von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Eine zweite Schicht (35) ist derart auf der ersten Schicht (35) vorgesehen, dass ein Teil der ersten Schicht (35) freiliegt, und ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Erste bis dritte Verunreinigungsbereiche (11 bis 13) erstrecken sich durch die zweite Schicht (35) bis zu der ersten Schicht (34). Die ersten und zweiten Verunreinigungsbereiche (11, 12) sind von dem ersten Leitfähigkeitstyp. Der dritte Verunreinigungsbereich (13) ist zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen (11, 12) angeordnet und ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp. Erste bis dritte Elektroden (S1, D1, G1) sind jeweils auf den ersten bis dritten Verunreinigungsbereichen (11 bis 13) vorgesehen. Eine Schottky-Elektrode (SK) ist auf dem Teil der ersten Schicht (34) vorgesehen und elektrisch mit der ersten Elektrode (S1) verbunden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement und insbesondere ein Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement mit einer Schottky-Elektrode.
  • Stand der Technik
  • Einige Siliciumcarbid (SiC) enthaltende Leistungshalbleiterbauelemente weisen eine Funktion eines Schaltelements und eine Funktion einer Diode (eines Gleichrichtungselements) auf. Zum Beispiel gibt das offengelegte japanische Patent Nr. 2009-259963 ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat, einem horizontalen Transistor, einer Rückelektrode und einem Gleichrichtungselementaufbau an. Der horizontale Transistor ist auf einer Vorderflächenseite eines Halbleitersubstrats ausgebildet, wobei ein Strom in einer Richtung entlang der Vorderfläche des Halbleitersubstrats zwischen Source- und Drain-Bereichen fließt. Der horizontale Transistor enthält eine Vorderelektrode, die mit einem der Source- und Drain-Bereiche verbunden ist. Die Rückelektrode ist auf einer Rückflächenseite gegenüber der Vorderfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet. Ein Gleichrichtungselement ist zwischen der Vorderelektrode und der Rückelektrode ausgebildet.
  • Referenzliste
  • Patentliteratur
    • PTL 1: Offengelegtes japanisches Patent Nr. 2009-259963
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Problemstellung
  • Bei der in der oben genannten PTL1 beschriebenen Technik sind die Source und der Drain des als ein Schaltelement dienenden horizontalen Transistors an der Vorderflächenseite des Halbleitersubstrats vorgesehen, während eine Schottky-Elektrode einer als ein Gleichrichtungselement dienenden Diode auf der Rückflächenseite des Halbleitersubstrats vorgesehen ist. Deshalb ist es schwierig, die Rückelektrodenseite der Diode mit dem Schaltelement zu verbinden. Außerdem ist es schwierig, ein Halbleiterbauelement mit einem Aufbau zu erhalten, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements verbunden ist.
  • Die Erfindung bezweckt, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement mit einem Aufbau anzugeben, in dem eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements unter Verwendung eines einzelnen Siliciumcarbidsubstrats verbunden ist.
  • Problemlösung
  • Ein Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Siliciumcarbidsubstrat, erste bis dritte Elektroden und eine Schottky-Elektrode. Das Siliciumcarbidsubstrat umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht. Die erste Schicht ist von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Die zweite Schicht ist derart auf der ersten Schicht vorgesehen, dass ein Teil der ersten Schicht freiliegt, und ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Das Siliciumcarbidsubstrat umfasst erste bis dritte Verunreinigungsbereiche, die sich durch die zweite Schicht bis zu der ersten Schicht erstrecken. Die ersten und zweiten Verunreinigungsbereiche sind von dem ersten Leitfähigkeitstyp. Der dritte Verunreinigungsbereich ist zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen angeordnet und ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp. Die ersten bis dritten Elektroden sind jeweils an den ersten bis dritten Verunreinigungsbereichen vorgesehen. Die Schottky-Elektrode ist an dem Teil der ersten Schicht vorgesehen und elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden.
  • Bei diesem Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement ist eine Schottky-Elektrode an der ersten Schicht vorgesehen und ist eine erste Elektrode an einem ersten Verunreinigungsbereich derart ausgebildet, dass sie sich bis zu der ersten Schicht erstreckt. Die Positionsbeziehung zwischen der Schottky-Elektrode und der ersten Elektrode ist also für eine elektrische Verbindung zwischen denselben geeignet. Es kann also ein Halbleiterbauelement mit einem Aufbau, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements verbunden ist, unter Verwendung eines einzelnen Siliciumcarbidsubstrats erhalten werden.
  • Vorzugsweise ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ. Dadurch kann die Mobilität der Träger verbessert werden.
  • Vorzugsweise ist jede der ersten bis dritten Elektroden eine Ohmsche Elektrode. Dabei können jede der ersten bis dritten Elektroden und das Siliciumcarbidsubstrat dazwischen einen Ohmschen Kontakt herstellen.
  • Vorzugsweise enthält das Siliciumcarbidsubstrat eine dritte Schicht, die die erste Schicht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht einschließt, vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist und elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist. Dadurch kann die elektrische Feldkonzentration in der ersten Schicht vermindert werden.
  • Vorzugsweise ist die Schottky-Elektrode in Kontakt mit der ersten Elektrode. Die Schottky-Elektrode und die erste Elektrode können also elektrisch miteinander verbunden werden, ohne dass hierfür eigens ein Verbindungsaufbau vorgesehen werden muss.
  • Vorzugsweise umfasst die erste Schicht einen ersten Bereich, in dem die ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche, die ersten bis dritten Elektroden und die Schottky-Elektrode vorgesehen sind, und einen zweiten Bereich, der elektrisch von dem ersten Bereich isoliert ist. Es kann also ein Element separat zu dem in dem ersten Bereich ausgebildeten Element in dem zweiten Bereich ausgebildet werden.
  • Ein Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Siliciumcarbidsubstrat, erste bis sechste Elektroden, einen Gate-Isolationsfilm und eine Schottky-Elektrode. Das Siliciumcarbidsubstrat umfasst eine erste und eine zweite Schicht. Die erste Schicht ist von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Die zweite Schicht ist derart auf der ersten Schicht vorgesehen, dass ein Teil der ersten Schicht freiliegt, und ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet. Das Siliciumcarbidsubstrat umfasst erste bis fünfte Verunreinigungsbereiche. Jeder der ersten, zweiten, vierten und fünften Verunreinigungsbereiche ist von dem ersten Leitfähigkeitstyp, und der dritte Verunreinigungsbereich ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp. Jeder der ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche erstreckt sich durch die zweite Schicht bis zu der ersten Schicht. Der dritte Verunreinigungsbereich ist zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen angeordnet. Jeder der vierten und fünften Verunreinigungsbereiche ist in der zweiten Schicht vorgesehen. Die ersten bis fünften Elektroden sind jeweils an den ersten bis fünften Verunreinigungsbereichen vorgesehen. Die ersten und fünften Elektroden sind elektrisch miteinander verbunden, und die dritten und vierten Elektroden sind elektrisch miteinander verbunden. Der Gate-Isolationsfilm bedeckt einen Teil zwischen den vierten und fünften Verunreinigungsbereichen auf der zweiten Schicht. Die sechste Elektrode ist auf dem Gate-Isolationsfilm vorgesehen. Die Schottky-Elektrode ist auf dem zuvor genannten Teil vorgesehen und elektrisch mit der vierten Elektrode verbunden.
  • Bei diesem Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement kann die Leitung zwischen den durch die dritten und vierten Elektroden implementierten Anschlüssen und einem durch die zweite Elektrode implementierten Anschluss durch ein Potential der sechsten Elektrode geschaltet werden. Dieser Schaltbetrieb bietet den Vorteil eines Flächentransistors und den Vorteil eines Transistors mit einem isolierten Gate aufgrund der Koordination einer Kanalsteuerung, die eine Sperrschicht eines durch die erste Schicht und den dritten Verunreinigungsbereich gebildeten pn-Übergangs nutzt, und einer Kanalsteuerung, die ein isoliertes Gate an der zweiten Schicht nutzt. Insbesondere wird ähnlich wie bei einem Flächentransistor ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht und ist der EIN-Widerstand niedrig. Außerdem kann ähnlich wie bei dem Transistor mit einem isolierten Gate eine normal-aus-Eigenschaft einfach erhalten werden. Weiterhin kann ein Halbleiterbauelement mit einem Aufbau, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements verbunden ist, unter Verwendung eines einzelnen Siliciumcarbidsubstrats erhalten werden.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Wie zuvor beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterbauelement mit einem Aufbau, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements verbunden ist, unter Verwendung eines einzelnen Siliciumcarbidsubstrats erhalten werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ersatzschaltung des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 1 zeigt.
  • 3 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ersatzschaltung des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 4 zeigt.
  • 6 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Variation von 4 zeigt.
  • 7 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ersatzschaltung des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 9 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen ersten Schritt in einem Verfahren zum Herstellen des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 10 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen zweiten Schritt in dem Verfahren zum Herstellen des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 11 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen dritten Schritt in dem Verfahren zum Herstellen des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 12 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen vierten Schritt in dem Verfahren zum Herstellen des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 13 ist eine Querschnittansicht, die schematisch einen fünften Schritt in dem Verfahren zum Herstellen des Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements von 7 zeigt.
  • 14 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 15 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Siliciumcarbid-Halbleiterbauelements in einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement) 51 einer ersten Ausführungsform ein Epitaxiesubstrat 30, eine erste Elektrode S1, eine zweite Elektrode D1, eine dritte Elektrode G1, eine Schottky-Elektrode SK und einen Zwischenschicht-Isolationsfilm I1. Das Epitaxiesubstrat 30 ist aus SiC ausgebildet und umfasst ein Einkristallsubstrat 31, eine Pufferschicht 32, eine untere p-Schicht 33 (dritte Schicht), eine n-Schicht 34 (erste Schicht) und eine obere p-Schicht 35 (zweite Schicht). Die Pufferschicht 32 ist auf einem Einkristallsubstrat 31 vorgesehen. Die untere p-Schicht 33 ist auf der Pufferschicht 32 vorgesehen. Die n-Schicht 34 ist auf der unteren p-Schicht 33 vorgesehen. Die obere p-Schicht 35 ist auf der n-Schicht 34 vorgesehen. Die obere p-Schicht 35 und die untere p-Schicht 33 schließen also in der Dickenrichtung die n-Schicht 34 ein. Die n-Schicht 34 ist vom n-Typ (von einem ersten Leitfähigkeitstyp). Die obere p-Schicht 35 und die untere p-Schicht 33 sind vom p-Typ (von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet).
  • Erste bis dritte Verunreinigungsbereiche 11 bis 13 sind in einer oberen Fläche (einer Fläche) des Epitaxiesubstrats 30 vorgesehen. Jede der ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche 11 bis 13 erstreckt sich durch die obere p-Schicht 35 von der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 in der Dickenrichtung (vertikalen Richtung in 1) bis zu der n-Schicht 34. Jeder der ersten und zweiten Verunreinigungsbereiche 11, 12 ist vom n-Typ. Der dritte Verunreinigungsbereich 13 ist zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen 11, 12 angeordnet und ist vom p-Typ.
  • Erste bis dritte Elektroden S1, D1, G1 sind jeweils an den ersten bis dritten Verunreinigungsbereichen 11 bis 13 vorgesehen. Jede der ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 ist eine Ohmsche Elektrode.
  • Die Schottky-Elektrode SK ist an dem Teil der n-Schicht 34 vorgesehen. Die Schottky-Elektrode SK ist elektrisch mit der ersten Elektrode S1 verbunden.
  • Eine Ersatzschaltung (2) des Leistungsmoduls 51 umfasst ein Paar von Hauptanschlüssen NT und PT und einen Steueranschluss GT für eine externe Verbindung sowie einen JFET-TEil 10 und einen Diodenteil 40 als internen Aufbau. Insbesondere entspricht die dritte Elektrode G1 dem Steueranschluss GT. Außerdem entspricht ein Teil, an dem die erste Elektrode S1 und die Schottky-Elektrode SK elektrisch miteinander verbunden sind, dem Hauptanschluss NT. Weiterhin entspricht die zweite Elektrode D1 dem Hauptanschluss PT. Weiterhin entspricht die Schottky-Elektrode SK einer Anode des Diodenteils 40 und entspricht die n-Schicht 34 in Kontakt mit der Schottky-Elektrode SK in Nachbarschaft zu der zweiten Elektrode D1 einer Kathode des Diodenteils 40.
  • Die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode S1 und der Schottky-Elektrode SK entspricht der Verbindung der Source des JFET-Teils 10 mit der Anode des Diodenteils 40. Außerdem entspricht der Kontakt der n-Schicht 34 mit der Schottky-Elektrode SK in Nachbarschaft zu der zweiten Elektrode D1 der Verbindung des Drains des JFET-Teils 10 mit der Kathode des Diodenteils 40. Der Diodenteil 40 ist nämlich mit dem JFET-Teil 10 verbunden und funktioniert als eine Freilaufdiode.
  • Der Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 ist auf der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 vorgesehen und weist eine Öffnung auf, durch die sich die ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 erstrecken. Die erste Elektrode S1 und die zweite Elektrode D1 sind also auf dem Epitaxiesubstrat 30 innerhalb der Öffnung in dem Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 vorgesehen. Der Zwischdenschicht-Isolationsfilm I1 bedeckt eine Seitenfläche (eine linke Seitenfläche in 1) der oberen p-Schicht 35, die der Schottky-Elektrode SK zugewandt ist.
  • Bei dem Leistungsmodul 51 in der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Elektrode S1 auf dem ersten Verunreinigungsbereich 11 derart ausgebildet, dass sie die n-Schicht 34 erreicht, wo die Schottky-Elektrode SK vorgesehen ist. Die Positionsbeziehung zwischen der Schottky-Elektrode SK und der ersten Elektrode S1 ist also für eine elektrische Verbindung zwischen denselben geeignet. Insbesondere weil die Schottky-Elektrode SK und die erste Elektrode S1 beide auf der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 angeordnet sind, können sie einfach elektrisch miteinander verbunden werden. Deshalb kann ein Leistungsmodul mit einem Aufbau, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen der Source und dem Drain des JFET-Teils 10 verbunden ist (2), erhalten werden.
  • Und weil der JFET-Teil 10 und der Diodenteil 40 (2) unter Verwendung eines einzelnen Epitaxiesubstrats 30 implementiert werden, kann das Leistungsmodul 51 unter Verwendung eines einzelnen Halbleiterchips erhalten werden.
  • Weiterhin ist jede der ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 eine Ohmsche Elektrode. Deshalb können jede der ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 und das Epitaxiesubstrat 30 dazwischen einen Ohmschen Kontakt herstellen.
  • Weiterhin bedeckt der Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 die Seitenfläche der oberen p-Schicht 35, die der Schottky-Elektrode SK zugewandt ist. Deshalb kann ein Kontakt zwischen der Schottky-Elektrode SK und der oberen p-Schicht 35 verhindert werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Für eine zweite Ausführungsform wird insbesondere ein zweidimensionales Layout von ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 und einer Schottky-Elektrode SK beschrieben.
  • Wie in 3 gezeigt, entsprechen ein Hauptanschluss NT, ein Hauptanschluss PT und ein Steueranschluss GT einer ersten Elektrode S1, einer zweiten Elektrode D1 und einer dritten Elektrode G1. In der Draufsicht (3) ist eine Schottky-Elektrode SK in Kontakt mit der ersten Elektrode S1. Die Schottky-Elektrode SK und die erste Elektrode S1 können also elektrisch miteinander verbunden sein, ohne dass eigens ein Verbindungsaufbau vorgesehen werden muss.
  • Ansonsten ist die Konfiguration der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen gleich der Konfiguration der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei einander entsprechende Elemente durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden und hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Wie in 4 und 5 gezeigt, weist ein Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement) 52 einer dritten Ausführungsform Einheiten (Elemente) 51a und 51b auf. Jede der Einheiten 51a und 51b weist im Wesentlichen dieselbe Konfiguration wie das Leistungsmodul 51 in der ersten Ausführungsform (1) oder zweiten Ausführungsform (3) wie oben beschrieben auf. Die Einheiten 51a und 51b verwenden ein einzelnes Epitaxiesubstrat 30 gemeinsam. Ein Nutteil 39, der jede der Einheiten 51a und 51b umgibt, ist auf der oberen Flächenseite des Epitaxiesubstrats 30 vorgesehen. Der Nutteil 39 erstreckt sich durch die p-Schicht 35 und die n-Schicht 34. Die n-Schicht 34 umfasst einen Bereich R1 (einen ersten Bereich) und einen Bereich R2 (einen zweiten Bereich), die durch den Nutteil 39 elektrisch voneinander getrennt werden. Die Bereiche R1 und R2 implementieren jeweils die Einheiten 51a und 51b.
  • In dieser Ausführungsform sind Einheiten 51a und 51g mit einem Satz aus einem Schaltelement und einer Freilaufdiode jeweils in den Bereichen R1 und R2 vorgesehen. Es wird also ein Leistungsmodul mit einer Vielzahl von Sätzen aus einem Schaltelement und einer Freilaufdiode erhalten.
  • In dieser Ausführungsform sind zwei Einheiten 51a und 51b vorgesehen, wobei jedoch auch eine beliebige andere Anzahl von Einheiten wie zum Beispiel sechs Einheiten vorgesehen sein können.
  • Außerdem sind in dieser Ausführungsform die Bereiche R1 und R2 elektrisch voneinander durch den Nutteil 39 isoliert, wobei die Bereiche R1 und R2 in einem in 6 gezeigten Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement) 52v durch einen Isolatorteil 39v elektrisch voneinander getrennt sein können. Der Isolatorteil 39v kann zum Beispiel ausgebildet werden, indem ein Isolator in einer Nut vergraben wird oder eine Verunreinigung, die dafür sorgt, dass ein Siliciumcarbid-Halbleiter seine Leitfähigkeit verliert, in das Epitaxiesubstrat 30 implantiert wird.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Wie in 7 gezeigt, umfasst ein Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement) 53 in einer vierten Ausführungsform ein Epitaxiesubstrat (ein Siliciumcarbidsubstrat) 30, eine erste Elektrode S1, eine zweite Elektrode D1, eine dritte Elektrode G1, eine vierte Elektrode S2, eine fünfte Elektrode D2, eine sechste Elektrode G2, einen Zwischenschicht-Isolationsfilm I1, einen Gate-Oxidfilm 12 (Gate-Isolationsfilm) und eine Schottky-Elektrode SK.
  • Das Epitaxiesubstrat 30 ist aus SiC ausgebildet und umfasst ein Einkristallsubstrat 31, eine Pufferschicht 32, eine n-Schicht (erste Schicht) 34, eine obere p-Schicht (zweite Schicht) 35 und eine untere p-Schicht (dritte Schicht) 33. Die n-Schicht 34 ist vom n-Typ (einem ersten Leitfähigkeitstyp). Die untere p-Schicht 33 und die obere p-Schicht 35 sind vom p-Typ (einem zweiten Leitfähigkeitstyp, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet). Die Pufferschicht 32 ist auf dem Einkristallsubstrat 31 vorgesehen. Die untere p-Schicht 33 ist auf der Pufferschicht 32 vorgesehen. Die n-Schicht 34 ist auf der unteren p-Schicht 33 vorgesehen. Die obere p-Schicht 35 ist auf der n-Schicht 34 derart vorgesehen, dass ein Teil der n-Schicht 34 freiliegt. Die obere p-Schicht 35 und die untere p-Schicht 33 schließen in einer Dickenrichtung die n-Schicht 34 ein.
  • Die Epitaxieschicht 30 umfasst einen ersten Verunreinigungsbereich 11, einen zweiten Verunreinigungsbereich 12, einen dritten Verunreinigungsbereich 13, einen vierten Verunreinigungsbereich 21 und einen fünften Verunreinigungsbereich 22. Die ersten, zweiten, vierten und fünften Verunreinigungsbereiche 11, 12, 21 und 22 sind vom n-Typ, und der dritte Verunreinigungsbereich 13 ist vom p-Typ. Die ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche 11 bis 13 erstrecken sich durch die obere p-Schicht 35 bis zu der n-Schicht 34. Und der dritte Verunreinigungsbereich 13 ist zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen 11, 12 angeordnet. Die vierten und fünften Verunreinigungsbereiche 21, 22 sind in der oberen p-Schicht 35 vorgesehen. Der erste Verunreinigungsbereich 11, der zweite Verunreinigungsbereich 12, der dritte Verunreinigungsbereich 13, der vierte Verunreinigungsbereich 21 und der fünfte Verunreinigungsbereich 22 sind auf der oberen Fläche (einen Fläche) des Epitaxiesubstrats 30 vorgesehen.
  • Erste bis fünfte Elektroden S1, D1, G1, S2, D2 sind jeweils an ersten bis fünften Verunreinigungsbereichen 11, 12, 13, 21, 22 vorgesehen. Die ersten und fünften Elektroden S1, D2 sind elektrisch miteinander verbunden, und die dritten und vierten Elektroden G1, S2 sind elektrisch miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die ersten bis fünften Elektroden S1, D1, G1, S2 D2 jeweils eine Ohmsche Elektrode.
  • Der Gate-Oxidfilm I2 bedeckt einen Teil zwischen den vierten und fünften Verunreinigungsbereichen 21, 22 auf der oberen p-Schicht 35. Die sechste Elektrode G2 ist auf dem Gate-Oxidfilm I2 vorgesehen.
  • Der Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 ist auf der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 vorgesehen und weist eine Öffnung auf, durch die sich die ersten bis dritten Elektroden S1, D1, G1 erstrecken. Die erste Elektrode S1 und die zweite Elektrode D1 sind also auf dem Eptaxiesubstrat 30 in der Öffnung in dem Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 vorgesehen. Der Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 bedeckt eine Seitenfläche (eine linke Seitenfläche in 7) der oberen p-Schicht 35, die der Schottky-Elektrode SK zugewandt ist. Vorzugsweise ist das Material für den Gate-Oxidfilm I2 gleich dem Material für den Zwischenschicht-Isolationsfilm I1. Insbesondere ist die Dicke des Gate-Oxidfilms I2 gleich der Dicke des Zwischenschicht-Isolationsfilms I1.
  • Die Schottky-Elektrode SK ist an dem oben genannten Teil der n-Schicht 34 vorgesehen. Die Schottky-Elektrode SK ist elektrisch mit der vierten Elektrode S2 verbunden.
  • Eine Ersatzschaltung (8) des Leistungsmoduls 53 umfasst ein Paar von Hauptanschlüssen NT und PT und einen Steueranschluss GT für eine externe Verbindung sowie weiterhin einen JFET-Teil 10, einen MOSFET-Teil 20 und einen Diodenteil 40 als internen Aufbau. Insbesondere entspricht die sechste Elektrode G2 dem Steueranschluss GT. Außerdem entspricht die vierte Elektrode S2 dem Hauptanschluss NT. Weiterhin entspricht die zweite Elektrode D1 dem Hauptanschluss PT. Weiterhin entspricht die Schottky-Elektrode SK der Anode des Diodenteils 40 und entspricht die n-Schicht 34 in Kontakt mit der Schottky-Elektrode SK in Nachbarschaft zu der zweiten Elektrode D1 der Kathode des Diodenteils 40.
  • Die erste Elektrode S1, die zweite Elektrode D1 und die dritte Elektrode G1 entsprechen jeweils der Source, dem Drain und dem Gate des JFET-Teils 10. Außerdem entsprechen die vierte Elektrode S2, die fünfte Elektrode D2 und die sechste Elektrode G2 jeweils der Source, dem Drain und dem Gate des MOSFET-Teils 20.
  • Der JFET-Teil 10 und der MOSFET-Teil 20 funktionieren gemeinsam als ein einzelnes Schaltelement 50 mit dem Source, dem Drain und dem Gate. Insbesondere entspricht die sechste Elektrode G2 dem Gate. Außerdem entspricht ein Teil, wo die dritte Elektrode G1 und die vierte Elektrode S2 elektrisch miteinander verbunden sind, der Source. Weiterhin entspricht die zweite Elektrode D1 dem Drain. Die elektrische Verbindung zwischen den ersten und fünften Elektroden S1, D2 entspricht der elektrischen Verbindung zwischen der Source des JFET-Teils 10 und dem Drain des MOSFET-Teils 20. Weiterhin entspricht die elektrische Verbindung zwischen den dritten und vierten Elektroden G1, S2 der elektrischen Verbindung zwischen dem Gate des JFET-Teils 10 und der Source des MOSFET-Teils 20.
  • Der JFET-Teil 10 und der MOSFET-20 sind in einer Kaskade verbunden und implementieren ein Element 50 mit drei Anschlüssen, nämlich den Hauptanschlüssen NT und PT und dem Steueranschluss GT. Bei dieser Konfiguration kann das Leistungsmodul 53 zwischen den Hauptanschlüssen NT und PT schalten, wenn eine Spannung an dem Steueranschluss GT angelegt wird. Wenn insbesondere in einem n-Kanal ein Potential des Steueranschlusses GT auf ein positives Potential nicht niedriger als ein Schwellwert gesetzt wird, kann ein EIN-Zustand zwischen den Hauptanschlüssen NT und PT hergestellt werden. Indem alternativ hierzu zum Beispiel ein Potential des Steueranschlusses GT auf weniger als ein Schwellwert (zum Beispiel auf ein Erdpotential gesetzt wird), kann ein AUS-Zustand zwischen den Hauptanschlüssen NT und PT hergestellt werden.
  • Die elektrische Verbindung zwischen der vierten Elektrode S2 und der Schottky-Elektrode SK entspricht einer Verbindung des Hauptanschlusses NT mit der Anode des Diodenteils 40. Außerdem entspricht der Kontakt der n-Schicht 34 mit der Schottky-Elektrode SK in Nachbarschaft zu der zweiten Elektrode D1 einer Verbindung des Hauptanschlusses PT mit der Kathode des Diodenteils 40. Der Diodenteil 40 ist nämlich mit dem Schaltelement 50 einschließlich des JFET-Teils 10 und des MOSFET-Teils 20 verbunden, um als eine Freilaufdiode zu funktionieren.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Leistungsmoduls 53 beschrieben.
  • Wie in 9 gezeigt, wird ein Epitaxiesubstrat 30 ausgebildet. Insbesondere werden eine Pufferschicht 32, eine untere p-Schicht 33, eine n-Schicht 34 und eine obere p-Schicht 35 auf einem Einkristallsubstrat 31 in dieser Reihenfolge durch ein epitaktisches Wachstum ausgebildet. Ein epitaktisches Wachstum kann zum Beispiel mittels einer Dampfphasenabscheidung (CVD) erzielt werden.
  • Wie in 10 gezeigt, wird ein Teil der oberen p-Schicht 35 von der n-Schicht 34 entfernt. Auf diese Weise wird die n-Schicht 34 an einem Teil der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 freigelegt.
  • Wie in 11 gezeigt, werden erste bis fünfte Verunreinigungsbereiche 11, 12, 13, 21 und 22 als Verunreinigungsbereiche in einem Teil der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30, wo die obere p-Schicht 35 bleibt, ausgebildet. Ein Verunreinigungsbereich kann zum Beispiel durch eine Ionenimplantierung ausgebildet werden.
  • Wie in 12 gezeigt, wird ein Isolationsfilm I0 auf der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 ausgebildet. Der Isolationsfilm I0 kann zum Beispiel durch eine thermische Oxidation ausgebildet werden.
  • Wie in 13 gezeigt, wird der Isolationsfilm I0 gemustert, sodass der Zwischenschicht-Isolationsfilm I1 und der Gate-Oxidfilm I2 aus dem Isolationsfilm I0 ausgebildet werden. Die Musterung kann zum Beispiel mittels einer Photolithographie ausgeführt werden.
  • Wie in 7 gezeigt, werden Elektroden auf der oberen Fläche des Epitaxiesubstrats 30 ausgebildet. Insbesondere werden erste bis fünfte Elektroden S1, D1, G1, S2 und D2 als Ohmsche Elektroden ausgebildet. Außerdem wird eine sechste Elektrode G2 auf einem Gate-Oxidfilm I2 ausgebildet. Weiterhin wird eine Schottky-Elektrode SK ausgebildet.
  • Es wird ein Verbindungsaufbau für die elektrische Verbindung der dritten Elektrode G1, der vierten Elektrode S2 und der Schottky-Elektrode SK vorgesehen. Außerdem wird ein Verbindungsaufbau für die elektrische Verbindung der ersten Elektrode S1 und der fünften Elektrode D2 vorgesehen.
  • Auf diese Weise wird das Leistungsmodul 53 erhalten.
  • Ansonsten ist die Konfiguration gleich derjenigen der oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen, wobei einander entsprechende Elemente durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden und hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • Bei dem Leistungsmodul 53 in der vorliegenden Ausführungsform kann eine Leitung zwischen dem Hauptanschluss NT, der durch die dritten und vierten Elektroden G1, S2 und die Schottky-Elektrode SK implementiert wird, und dem Hauptanschluss PT, der durch die zweite Elektrode D1 implementiert wird, durch ein Potential des Steueranschlusses GT, der durch die sechste Elektrode implementiert wird, geschaltet werden. Dieser Schaltbetrieb bietet den Vorteil eines Flächentransistors und den Vorteil eines Transistors mit einem isolierten Gate aufgrund der Koordination einer Kanalsteuerung, die eine Sperrschicht eines durch die n-Schicht 34 und den dritten Verunreinigungsbereich 13 gebildeten pn-Übergangs nutzt, und einer Kanalsteuerung, die die als ein isoliertes Gate auf der oberen p-Schicht 35 dienende sechste Elektrode G2 nutzt. Insbesondere wird ähnlich wie bei einem Flächentransistor ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht und ist der EIN-Widerstand niedrig. Außerdem kann ähnlich wie bei dem Transistor mit einem isolierten Gate eine normal-aus-Eigenschaft einfach erhalten werden. Weiterhin kann ein Leistungsmodul mit einem Aufbau, in dem eine Diode als eine Freilaufdiode zwischen einer Source und einem Drain eines Schaltelements verbunden ist, unter Verwendung eines einzelnen Epitaxiesubstrats 30 erhalten werden.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • Für eine fünfte Ausführungsform wird insbesondere ein zweidimensionales Layout der ersten bis sechsten Elektroden S1, D1, G1, S2, D2 und G2 und der Schottky-Elektrode SK beschrieben.
  • Wie in 14 gezeigt, entsprechen die Hauptanschlüsse NT, PT und der Steueranschluss GT jeweils einer vierten Elektrode S2, einer zweiten Elektrode D1 und einer sechsten Elektrode G2.
  • In der Draufsicht (14) sind die erste Elektrode S1 und die fünfte Elektrode D2 miteinander auf dem Epitaxiesubstrat 30 integriert. Die erste Elektrode S1 und die fünfte Elektrode D2 können elektrisch miteinander verbunden werden, ohne dass hierfür eigens ein Verbindungsaufbau vorgesehen werden muss.
  • Außerdem sind die dritte Elektrode G1 und die vierte Elektrode S2 miteinander auf dem Epitaxiesubstrat 30 integriert. Die dritte Elektrode G1 und die vierte Elektrode S2 können also elektrisch miteinander verbunden werden, ohne dass hierfür eigens ein Verbindungsaufbau vorgesehen werden muss.
  • Weiterhin ist die Schottky-Elektrode SK in Kontakt mit der vierten Elektrode S2. Die Schottky-Elektrode SK und die vierte Elektrode S2 können also elektrisch miteinander verbunden werden, ohne dass hierfür eigens ein Verbindungsaufbau vorgesehen werden muss.
  • Ansonsten ist die Konfiguration gleich derjenigen der oben beschriebenen vierten Ausführungsform, wobei einander entsprechende Elemente durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden und hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • Wie in 15 gezeigt, weist in einem Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement) 54 einer sechsten Ausführungsform das Epitaxiesubstrat 30 einen sechsten Verunreinigungsbereich 14 auf. Der sechste Verunreinigungsbereich 14 erstreckt sich durch die n-Schicht 34 bis zu der unteren p-Schicht 33 und ist vom p-Typ. Außerdem ist in dieser Ausführungsform die erste Elektrode S1 elektrisch mit dem sechsten Verunreinigungsbereich 14 verbunden und in Kontakt mit dem sechsten Verunreinigungsbereich 14. Bei dieser Konfiguration sind die erste Elektrode S1 und die untere p-Schicht 33 über den sechsten Verunreinigungsbereich des p-Typs elektrisch miteinander verbunden.
  • Weil in der vorliegenden Ausführungsform die untere p-Schicht 33 auf ein Potential gesetzt ist, das so hoch wie dasjenige der ersten Elektrode S1 ist, kann eine elektrische Feldkonzentration in der n-Schicht 34 vermindert werden.
  • Ansonsten ist die Konfiguration im Wesentlichen gleich derjenigen der oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsformen, wobei einander entsprechende Elemente durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden und hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Siliciumcarbidsubstrat ein Epitaxiesubstrat, wobei aber auch ein anderes Substrat verwendet werden kann. Außerdem kann in einem Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement ein Glied zum Halten eines Siliciumcarbidsubstrats vorgesehen sein, wobei dieses Glied aus einem anderen Material als Siliciumcarbid ausgebildet sein kann. Was die Mobilität betrifft, ist der erste Leitfähigkeitstyp als ein n-Typ definiert, wobei es sich aber auch um den p-Typ handeln kann.
  • Es ist zu beachten, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen sind. Der Erfindungsumfang wird durch die beigefügten Ansprüche definiert, wobei verschiedene Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • Liste der Bezugszeichen
    • 10 ... JFET-Teil; 11 bis 13 ... erste bis dritte Verunreinigungsbereiche; 14 ... sechster Verunreinigungsbereich; 21, 22 ... vierte und fünfte Verunreinigungsbereiche; 20 ... MOSFET-Teil; 30 ... Epitaxiesubstrat (Siliciumcarbidsubstrat); 33 ... untere p-Schicht (dritte Schicht); 34 ... n-Schicht (erste Schicht); 35 ... obere p-Schicht (zweite Schicht); 39 ... Nutteil; 39v ... Isolatorteil; 40 ... Diodenteil; 51 bis 54, 52v ... Leistungsmodul (Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement); 51a, 51b ... Einheit; D1 ... zweite Elektrode; D2 ... fünfte Elektrode; G1 ... dritte Elektrode; G2 ... sechste Elektrode; GT ... Steueranschluss; I1 ... Zwischenschicht-Isolationsfilm; I2 ... Gate-Oxidfilm (Gate-Isolationsfilm); NT, PT ... Hauptanschluss; R1 ... Bereich (erster Bereich); R2 ... Bereich (zweiter Bereich); S1 ... erste Elektrode; S2 ... vierte Elektrode; und SK ... Schottky-Elektrode

Claims (7)

  1. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement (51), das umfasst: ein Siliciumcarbidsubstrat (30) mit einer ersten Schicht (34), die von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist, und mit einer zweiten Schicht (35), die derart auf der ersten Schicht vorgesehen ist, dass ein Teil der ersten Schicht freiliegt, und von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, wobei das Siliciumcarbidsubstrat erste bis dritte Verunreinigungsbereiche (11 bis 13) umfasst, die sich durch die zweite Schicht bis zu der ersten Schicht erstrecken, wobei die ersten und zweiten Verunreinigungsbereiche von dem ersten Leitfähigkeitstyp sind und der dritte Verunreinigungsbereich zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen angeordnet ist und von dem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, erste bis dritte Elektroden (S1, D1, G1), die jeweils auf den ersten bis dritten Verunreinigungsbereichen vorgesehen sind, und eine Schottky-Elektrode (SK), die auf dem Teil der ersten Schicht vorgesehen ist und elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist.
  2. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist.
  3. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten bis dritten Elektroden jeweils eine Ohmsche Elektrode sind.
  4. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Siliciumcarbidsubstrat eine dritte Schicht (33) umfasst, die die erste Schicht zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht einschließt, von dem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist.
  5. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schottky-Elektrode in Kontakt mit der ersten Elektrode ist.
  6. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die erste Schicht einen ersten Bereich (R1), in dem die ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche, die ersten bis dritten Elektroden und die Schottky-Elektrode vorgesehen sind, und einen zweiten Bereich (R2), der elektrisch von dem ersten Bereich isoliert ist, umfasst.
  7. Siliciumcarbid-Halbleiterbauelement (53), das umfasst: ein Siliciumcarbidsubstrat (30) mit einer ersten Schicht (34), die von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist, und mit einer zweiten Schicht (35), die derart auf der ersten Schicht vorgesehen ist, dass ein Teil der ersten Schicht freiliegt, und von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, der sich von dem ersten Leitfähigkeitstyp unterscheidet, wobei das Siliciumcarbidsubstrat erste bis fünfte Verunreinigungsbereiche (11 bis 13, 21, 22) umfasst, wobei die ersten, zweiten, vierten und fünften Verunreinigungsbereiche von dem ersten Verunreinigungstyp sind und der dritte Verunreinigungsbereich von dem zweiten Verunreinigungstyp ist, wobei sich die ersten bis dritten Verunreinigungsbereiche durch die zweite Schicht bis zu der ersten Schicht erstrecken, wobei der dritte Verunreinigungsbereich zwischen den ersten und zweiten Verunreinigungsbereichen angeordnet ist und die vierten und fünften Verunreinigungsbereiche auf der zweiten Schicht vorgesehen sind, erste bis fünfte Elektroden (S1, D1, G1, S2, D2), die jeweils auf den ersten bis fünften Verunreinigungsbereichen vorgesehen sind, wobei die ersten und fünften Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind und wobei die dritten und vierten Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind, einen Gate-Isolationsfilm (I2), der einen Teil zwischen den vierten und fünften Verunreinigungsbereichen auf der zweiten Schicht bedeckt, eine sechste Elektrode (G2) die auf dem Gate-Isolationsfilm vorgesehen ist; und eine Schottky-Elektrode (SK), die auf dem Teil der ersten Schicht vorgesehen und elektrisch mit der vierten Elektrode verbunden ist.
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