DE19641839A1 - Halbleiter-Bauteil - Google Patents

Halbleiter-Bauteil

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Bauteil und ins­ besondere auf Hochspannungs-Halbleiterbauteile, die eine hohe Leitfähigkeit und große Durchbruchspannungen aufweisen.
Siliziumcarbid (SiC) hat einen größeren Bandabstand als Sili­ zium (Si), so daß entsprechend SiC ein höheres kritisches elektrisches Lawinendurchbruchsfeld aufweist, als Si, wobei die Möglichkeit eines 100-fach besseren Betriebsverhaltens ver­ glichen mit Silizium für Hochspannungs-Bauteile besteht. Im einzelnen hat 3C-SiC ein ungefähr 4-fach höheres kritisches elektrisches Lawinendurchbruchsfeld als Si; 6H-SiC hat ein ungefähr 8-mal höheres kritisches elektrisches Lawinendurch­ bruchsfeld als Si und 4H-SiC hat ein ungefähr 10-mal größeres kritisches elektrisches Lawinendurchbruchsfeld als Si. Das höhere kritische elektrische Feld von SiC ermöglicht eine stär­ kere Dotierung und dünnere Driftbereiche, wodurch der Ein­ schalt-Widerstand von SiC-Leistungsbauteilen verglichen mit üblichen Si-Leistungsbauteilen verringert wird.
Derzeit besteht jedoch ein Problem mit SiC-Bauteilen darin, daß es schwierig ist, Dotierungsmittel in das SiC-Material einzudiffundieren. Im einzelnen erfordert die Diffusion von Dotierungsmitteln in SiC Temperaturen im Bereich von 1800°C. Ein weiteres Problem bei der Verwendung von SiC besteht darin, daß das Material eine niedrige MOS-Kanal-Träger-Mobilität aufweist, so daß bei Verwendung von SiC als ein Kanalmaterial in einem Halbleiter-Bauteil die Leitfähigkeit des Kanals ver­ schlechtert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein SiC-Halbleiter- Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das die vor­ stehenden Probleme beseitigt und eine hohe Leitfähigkeit und hohe Durchbruchspannungen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Nachteile der bekannten SiC-Bauteile werden erfindungsge­ mäß dadurch beseitigt, daß eine Halbleiterstruktur geschaffen wird, die eine dünne Epitaxialschicht aus Si auf einem Haupt­ körper aus SiC-Material einschließt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die dünne Epitaxialschicht ungefähr 3 µm dick. Die Struktur der vorliegenden Erfindung kann bei einem Leistungs-MOSFET, einem Graben-Leistungs-MOSFETT, einer Diode und anderen Halbleiter-Bauteilen verwendet werden.
Um die Kosten zu verringern, kann die SiC-Schicht auf einem stark dotierten Si-Substrat ausgebildet werden (es wurde in der Literatur berichtet, daß 3C-SiC einfach auf Si auf ge­ wachsen werden kann). Diese Strukturen, beispielsweise ein Leistungs-MOSFET mit einer epitaxial aufgewachsenen Silizium­ schicht, können in einer vorhandenen Silizium-Leistungs- MOSFET-Herstellungs-Einrichtung unter Verwendung vorhandener Verfahren hergestellt werden.
Die Driftbereiche der die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendenden Bauteile (zum Beispiel Leistungs- MOSFETs), bestehen hauptsächlich aus SiC, und, weil die Dotierung von SiC wesentlich höher als die von Si sein kann (während gleichzeitig die gleiche Spannung wie bei einem üblichen Si-Bauteil zulässig ist), ergeben die neuen Bau­ teilstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung niedrigere Einschaltwiderstände als übliche Si-Leistungsbauteile. Es sei jedoch bemerkt, daß die Durchbruchspannungen der Bau­ teilstrukturen gemäß der Erfindung immer noch durch das kritische Feld an der P-Hauptkörper-/N⁻-Driftbereichs- Grenzschicht bestimmt sind, die zumindestens teilweise in Si ausgebildet wird. Für Hochspannungs-Bauteile (beispielsweise von mehr als 60 Volt) wird erwartet, daß die Bauteilstrukturen der vorliegenden Erfindung 20%-90% niedrigere Einschalt­ widerstände verglichen mit üblichen Si-Bauteilen ergeben.
Bei den neuen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung, kann die P-Hauptkörper-/N⁻-Driftbereichs-Grenzschicht entweder vollständig in Si oder an der Si/SiC-Hetero-Grenz­ schicht ausgebildet werden. Für die größte Verbesserung wird bevorzugt, daß die Si-Schicht dünner ist, und daß die P- Hauptkörper-Diffusionen derart ausgeführt werden, daß die P-Hauptkörper-/N⁻-Driftbereichs-Grenzschichten in SiC aus­ gebildet werden. Derartige Strukturen erfordern jedoch die Diffusion von Dotierungsmitteln in SiC bei hohen Tempera­ turen und langen Zeitperioden, verglichen mit der Diffusion von Dotierungsmitteln in Si.
Es sei bemerkt, daß Strukturen, die andere große Bandabstände aufweisende Halbleitermaterialien verwenden, anstelle des angegebenen SiC-Materials verwendet werden können und immer noch von der vorliegenden Erfindung umfaßt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Leistungs-DMOSFET-Bau­ teils, das eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Schottky-Übergangs- Diodenbauteils, das eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Graben-Leistungs-MOSFET- Bauteils, das eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine abgeänderte Aus­ führungsform eines Leistungs-DMOSFET-Bauteils, das eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 5 einen Querschnitt einer abgeänderten Ausführungs­ form eines Graben-Leistungs-MOSFET-Bauteils, das eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 6 einen Querschnitt einer Grenzschicht zwischen einem P-Leitungstyp-Silizium und einem N-Leitungstyp-Silizium­ carbid und eine entsprechende E-Feldverteilung längs der Grenzschicht gemäß des Bauteils nach Fig. 4 der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 7 einen Querschnitt einer eine höhere Spannung ermöglichenden Grenzschicht der Bauteil-Struktur nach Fig. 1 sowie die entsprechende E-Feldverteilung.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine neuartige SiC-Leistungs-DMOSFET-Struktur gemäß der vorliegenden Erfin­ dung, bei der ein N-Leitungstyp-SiC-Driftbereich 11 über einem N⁺-Si-Substrat 10 von üblicher Art angeordnet ist. Der SiC-Bereich 11 ist stärker dotiert als Si, so daß der SiC- Bereich einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist, als bekannte Si-Driftbereiche, während gleichzeitig eine hohe Durchbruchspannung beibehalten wird. Eine drei Mikrometer dicke N⁻-Epitaxial-Schicht 12 wird auf der Oberseite des SiC- Bereiches 11 aufgewachsen. Übliche Leistungs-MOSFET-Grenzschich­ ten (wie zum Beispiel die P⁻-Kanalbereiche 13, 14, die P⁺-Hauptkörper-Bereiche 15, 16, die N⁺-Sourcebereiche 17, 18, das Polysilizium-Gate 19, das Gate-Oxid 20, ein Zwischen­ schicht-Oxid 21 und ein darüberliegender Source-Kontakt 22) werden auf der N⁻-Epitaxialschicht 12 angeordnet. Ein Drain-Kontakt 23 ist an der Unterseite des Substrats 10 an­ geordnet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird gezeigt, daß die Ladungsmenge in dem SiC-Bereich 11 mehr als dreimal so groß wie die von Silizium für die gleiche Durchbruchspannung ist. Fig. 6 zeigt eine Grenzschicht 50 vom P-Leitungstyp-Si 51 und vom N-Lei­ tungstyp-SiC 52, wobei das entsprechende E-Feld ebenfalls ange­ geben ist. Um einen niedrigeren Einschaltwiderstand für den Driftbereich verglichen mit einem Si-MOSFET zu erzielen, soll die Driftbereich-Dämpfung (ND) zur Unterstützung der hohen Spannung hoch sein, und die Driftbereichs-Dicke (W) zur Unter­ stützung der hohen Spannung sollte klein sein. Mit anderen Worten heißt dies, daß der Driftbereich in der Lage sein sollte, die Sperrspannung mit einer hohen Dotierung (ND) und einer minimalen Dicke (W) zu unterstützen.
An der Grenzschicht 50 ergibt das Gauss′sche Gesetz, daß die folgenden Gleichungen gültig sind:
εSi *ESi = εSiC *ESiC
ESi = (εSi/εSi)*ESiC
ESi ≈ 0,82*ESiC, für 3C-SiC
ESiC ≈ 1,21*ESi, für 3C-SiC.
Im allgemeinen gelten für eine gleichförmige Dotierung in dem Driftbereich die folgenden Beziehungen:
Ec = qNDWc/ε,
worin Ec das kritische Lawinendurchbruchsfeld für diese Struktur beim Durchbruch ist,
ESiC = 1,21*Ec.Si
Die Driftbereichs-Dotierung ND ist proportional zu Edrift.max und die Driftbereichs-Dicke W ist proportional zu ε.
Die vorstehende Gleichung zeigt, daß, damit das E-Feld über die kürzeste Strecke auf Null absinkt (für eine minimale Driftbereichs-Dicke W), die Dielektrizitätskonstante des Drift­ bereichs-Materials (ε) so niedrig wie möglich sein sollte.
Daher sollte für eine höhere Driftbereichs-Dotierung der Drift­ bereich aus einem Material mit einem höheren kritischen La­ winendurchbruchsfeld verglichen mit Silizium gebildet werden.
Für eine kleinere Dicke des Driftbereiches sollte der Drift­ bereich aus einem Material mit einer verglichen mit Silizium niedrigeren Dielektrizitätskonstante hergestellt sein.
SiC hat ein größeres kritisches Lawinendurchbruchsfeld und eine niedrigere Dielektrizitätskonstante verglichen mit Si.
Somit ist SiC sehr gut als Driftbereichs-Material geeignet und zur Absenkung des Widerstandes des Driftbereiches sollte der Driftbereich im wesentlichen aus einem Material wie SiC herge­ stellt werden.
Gemäß Fig. 1 kann irgendeine gewünschte Topologie bei der Schaffung von Grenzschichten in der N⁻-Epitaxial-Schicht 12 verwendet werden, wodurch andere Bauteile mit MOS-Gate-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung gewonnen werden können.
Fig. 2 zeigt eine Schottky-Übergangs-Diode, die eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Den Elementen nach Fig. 1 ähnliche Elemente wurden mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Hauptunterschied zwischen den Strukturen nach den Fig. 1 und 2 besteht darin, daß (i) der Bereich 12 keine Grenzschicht aufweist (statt dessen kann ein üblicher Schutz­ ring verwendet werden), und daß (ii) die Kathode 22a vorzugs­ weise ein Material mit großer Ablöseenergie, wie zum Beispiel Molybdän oder dergleichen, ist. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist die Ladungsmenge in dem SiC-Material für die gleiche Durchbruchsspannung wesentlich höher als die von Si, so daß die Leitfähigkeit des Bauteil s gegenüber üblichen Bauteilen mit der gleichen Durchbruchsspannung verbessert ist.
Fig. 3 zeigt einen Graben-Leistungs-MOSFET, der eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Im einzelnen ist eine P-Silizium-Schicht 30, die sich von einem P⁺-Körper 31 aus erstreckt, gegen ein Gate-Oxyd 32 angeordnet, das den in dem Silizium eingeätzten Graben auskleidet. Der Graben ist mit einem Poly-Silizium-Gate 33 gefüllt. Ein N⁺-Source- Diffusionsbereich 34 ist in die P-Bereiche 30,31 eindiffundiert, und ein Source-Kontakt 22 ist auf den Bereichen 31 und 34 und dem Gate-Oxyd 32 angeordnet. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist die Ladungsmenge in dem SiC-Material für die gleiche Durch­ bruchsspannung wesentlich höher als die von Si.
Das Bauteil nach Fig. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform eines MOSFET gemäß der vorliegenden Erfindung und ist ähnlich dem nach Fig. 1. Bei dem Bauteil nach Fig. 4 stehen die P⁺-Basen 15 und 16 direkt mit dem SiC-Driftbereich 11 in Berührung, wodurch eine vergleichsweise schmalere Epitaxial-Schicht 12 verbleibt.
Das Bauteil nach Fig. 5 ist ähnlich dem nach Fig. 3, mit der Ausnahme, daß die Grenzschicht zwischen dem P⁺-Bereich 31, dem P-Bereich 30 und dem N-Bereich 11 an der Si/SiC-Hetero- Grenzschicht gebildet ist.
Die vorstehenden Beispiele stellen lediglich einige denkbare Ausführungsformen dar, wobei vielfältige Abänderungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung für den Fachmann ohne weiteres erkennbar sind.

Claims (27)

1. Halbleiterbauteil mit einem Halbleitersubstrat (10), dadurch gekennzeichnet, daß ein einen großen Band-Abstand aufweisendes und einen Driftbereich bildendes Material (11) auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, und daß eine Epitaxialschicht (12) aus Halbleitermaterial auf dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material (11) angeordnet ist.
2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende, einen großen Band­ abstand aufweisende Material (11) ein Material mit nied­ riger Dielektrizitätskonstante und hoher Trägerbeweg­ lichkeit ist.
3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial ungefähr 3 µm dick ist.
4. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleitersubstrats (10) Silizium ist.
5. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende, einen großen Band­ abstand aufweisende Material (11) Siliziumcarbid ist.
6. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial Silizium ist.
7. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleitersubstrats (10) Silizium ist, daß das einen Driftbereich bildende Material (11) mit großem Bandabstand Siliziumcarbid ist, und daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial Silizium ist.
8. MOSFET-Halbleiterbauteil mit einem dotiertem Halbleiter- Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Driftbereich bildendes dotiertes, einen großen Bandabstand aufweisendes Material (12) auf dem dotierten Halbleiter-Substrat (10) angeordnet ist, und daß eine dotierte Epitaxial-Schicht (12) auf dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material (11) angeordnet ist.
9. MOSFET-Halbleiterbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende, dotierte, einen großen Bandabstand aufweisende Material ein Material mit niedriger Dielektrizitäts-Konstante und hoher Trägerbeweglichkeit ist.
10. MOSFET-Halbleiterbauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial ungefähr 3 µm dick ist.
11. MOSFET-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat-Material (10) aus Silizium besteht.
12. MOSFET-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende, einen großen Bandabstand aufweisende Material (11) Siliziumcarbid ist.
13. MOSFET-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial Silizium ist.
14. MOSFET-Halbleiterbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat-MateriaL (10) Silizium ist, daß das einen Driftbereich bildende, einen großen Bandabstand aufweisende Material (11) Siliziumcarbid ist, und daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleiter­ material Silizium ist.
15. Halbleiterdiode mit einem dotierten Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Driftbereich bildendes dotiertes, einen großen Bandabstand aufweisendes Material (11) auf dem dotierten Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, und daß eine dotierte Epitasial-Schicht (12) aus Halbleiter­ material auf dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material (11) angeordnet ist.
16. Halbleiterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende dotierte, einen großen Bandabstand aufweisende Material (11) ein Material mit niedriger Dielektrizitäts-Konstante und einer hohen Trägerbeweglichkeit ist.
17. Halbleiterdiode nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial ungefähr 3 µm dick ist.
18. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat-Material (10) Silizium ist.
19. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Driftbereich bildende, einen großen Band­ abstand aufweisende Material (11) Siliziumcarbid ist.
20. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxial-Schicht (12) aus Halbleitermaterial Silizium ist.
21. Halbleiterdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat-Material (10) Silizium ist, und daß das einen Driftbereich bildende, einen großem Bandabstand aufweisende Material Silizium­ carbid ist.
22. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauteil ein Graben-Leistungs-MOSFET ist.
23. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Leistungs-MOSFET-Grenzschichten ober­ halb der Epitaxial-Schicht angeordnet sind und P⁺-Hauptkörper-Bereiche (15, 16), N⁺-Source-Bereiche (17, 18), ein Poly-Silizium-Gate (19), ein Gate-Oxyd (20) und ein darüberliegender Source-Kontakt (22) vor­ gesehen sind, die alle oberhalb der Epitaxial-Schicht (12) angeordnet sind.
24. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drain-Kontakt (23) unterhalb des Halbleiter­ substrats (10) angeordnet ist.
25. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die eine hohe Spannung unterstützende P-Haupt­ körper-/N⁻-Drift-Grenzschicht an einer Hetero-Grenz­ schicht zwischen der Epitaxial-Schicht und dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material gebildet ist.
26. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die eine hohe Spannung unterstützende Grenzschicht zwischen dem P-Hauptkörper und dem N⁻-Driftbereich in der Epitaxial-Schicht ausgebildet ist, wobei das einen großen Bandabstand aufweisende Material von der Oberfläche aus tiefer angeordnet ist, als die Grenz­ schicht.
27. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Spannung unterstützende Grenzschicht zwischen dem P-Hauptkörper-Bereich und dem N⁻-Drift­ bereich in dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material ausgebildet ist, wobei die Hetero-Grenzschicht zwischen der Epitaxial-Schicht und dem einen großen Bandabstand aufweisenden Material von der Oberfläche aus flacher angeordnet ist, als die Grenzschicht zwi­ schen dem P-Hauptkörper-Bereich und dem N⁺-Driftbe­ reich.
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