EP0970524A2

EP0970524A2 - SiC-HALBLEITERANORDNUNG MIT HOHER KANALBEWEGLICHKEIT

Info

Publication number: EP0970524A2
Application number: EP98923998A
Authority: EP
Inventors: Dethard Peters; Reinhold SCHÖRNER; Dietrich Stephani
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2000-01-12
Also published as: DE19712561C1; WO1998043299A2; JP2001517375A; US6097039A; WO1998043299A3

Abstract

Ein SiC-Kanalgebiet (2) einer Halbleiteranordnung weist durch fehlorientiertes epitaktisches Wachstum an seiner Oberfläche (20) parallel zueinander verlaufende Erhebungen (6) auf. Der elektrische Stromfluss in dem Kanalgebiet (2) wird parallel zu den Erhebungen (6) eingestellt. Dadurch erreicht man eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im Kanalgebiet (2).

Description

Beschreibung

SiC-Halbleiteranordnung mit hoher Kanalbeweglichkeit

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung.

Siliciumcarbid (SiC) in einkristalliner Form ist ein Halbleitermaterial mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften, die dieses Halbleitermaterial besonders- für die Hochtempera- turelektronik und die Leistungselektronik interessant machen.

Es ist ein Leistungs-MISFET (Metal-_Insulator-_Semiconductor- Field-Effect-Transistor) auf SiC-Basis bekannt mit einem Substrat aus einkristallinem SiC des 4H- oder des 6H-Polytyps und ei er auf einer Substratoberfläche dieses Substrats angeordneten Epitaxieschicht aus SiC, das einen vorgegebenen Leitungstyp (n- oder p-Leitung) und den gleichen Polytyp wie das SiC-Substrat aufweist. In der SiC-Epitaxieschicht sind durch Ionenimplantation ein Basisgebiet vom entgegengesetzten Lei- tungstyp wie die SiC-Epitaxieschicht und in diesem Basisgebiet durch Ionenimplantation ein Sourcegebiet vom gleichen Leitungstyp wie die SiC-Epitaxieschicht erzeugt. Basisgebiet und Sourcegebiet sind durch eine Sourceelektrode kontaktiert und miteinander kurzgeschlossen. Auf einer Oberfläche des Ba- sisgebiets ist eine Siliciu dioxid-Schicht (Oxidschicht) als Isolatorschicht der MIS-Struktur und auf dieser Oxidschicht eine Gateelektrode als Metallschicht der MIS-Struktur angeordnet. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Gateelektrode kann nun ein oberflächennahes Kanalgebiet im Ba- sisgebiet unterhalb der Oxidschicht hinsichtlich seines elektrischen Widerstands gesteuert werden. Bei einem bestimmten Steuerfeld ändert sich nämlich der Leitungstyp des Kanalgebiets durch Ladungsträgerinversion und es entsteht ein leitender Kanal vom gleichen Leitungstyp wie Sourcegebiet und SiC-Epitaxieschicht (Driftgebiet) an der Oberfläche des Ba- sisgebiets . Der MISFET ist dann in seinem Durchlaßzustand, in dem bei Anlegen einer Betriebsspannung zwischen der Sour- ceelektrode und einer Drainelektrode ein elektrischer Strom durch das Kanalgebiet zur Drainelektrode fließt. Die Drainelektrode kann an der Rückseite des Substrats (vertikaler MISFET) oder an der gleichen Oberfläche wie die Sourceelek- trode (lateraler MISFET) angeordnet sein.

Aus US-A-5, 011 , 549 ist ein Verfahren zum homoepitaktischen Abscheiden einer SiC-Epitaxieschicht auf einem α-SiC-Substrat durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapour Deposition) bekannt. Der Begriff α-SiC umfaßt alle in diesem Zusammenhang üblicherweise verwendeten Polytypen von einkristallinem SiC mit hexagonaler oder rhomboedrischer Kristallstruktur. Bei diesem bekannten Epitaxieverfahren wird die Substratoberfläche des SiC-Substrats vor dem Abscheiden der SiC-Epitaxieschicht durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise Sägen, so präpariert, daß die Oberfläche unter einem vorgegebenen Winkel zwischen 3° und 6° gegen eine der zwei {0001}-Kristallflächen (bzw. eine der zugehörigen <0001>- Kristallrichtungen) , also gegen die (0001) -Kristallfläche (Ξi-Seite) oder gegen die (000T ) -Kristallfl che (C-Seite) , in Richtung einer der <1120>-Kristallrichtungen gekippt ist (Fehlorientierung, „off-axis orientation" ) . Auf der derart präparierten Substratoberflache wird durch einen CVD-Prozeß aus einem Silicium und Kohlenstoff enthaltenden Arbeitsgasge- misch bei Temperaturen zwischen 1400°C und 1700°C die SiC- Epitaxieschicht abgeschieden. Die mit diesem fehlorientierten Epitaxieverfahren hergestellten SiC-Epitaxieschichten weisen bei geeigneter Prozeßführung einen und zwar den gleichen Polytyp wie das SiC-Substrat auf und sind von besserer kristal- lographischer Qualität sowie in ihrer Leitf higkeit genauer einstellbarer als vergleichbare Schichten, die unmittelbar auf einer der {0001}-Kristallflachen selbst aufgewachsen sind. Allerdings weisen die fehlorientiert gewachsenen SiC- Epitaxieschichten an ihrer Oberfläche aufgrund des stufenkon- trollierten Wachstumsmechanismus mikroskopische Stufen und Kanten auf, deren Breite und Höhe von dem Verkippungswinkel der Substratoberflache abhängen. In Materials Research Soci ety Symposi um Proceedings , Vol . 162, 1990 , Sei ten 397 bis 407 wird ein epitaktisches Wachstum von 6H-SiC-Schichten auf gegen die ( 0001) -Kristallflächen um einen Winkel zwischen 3° und 6° fehlorientierten 6H-SiC- Substraten durch CVD bei einer Temperatur von 1500°C beschrieben. Bei einer Verkippung der Substratoberfläche in Richtung zur [1120]-Kristallrichtung des 6H-SiC-Substrats entstehen an der Oberfläche der aufgewachsenen 6H-SiC- Epitaxieschicht zickzacklinienförmige Mikrostufen, deren Hauptausdehnungsrichtung jeweils parallel zur [1100]- Kristallrichtung der 6H-SiC-Epitaxieschicht gerichtet ist und deren einzelne Zickzack-Abschnitte parallel zu den hexagona- len Kristallkanten verlaufen. Bei einer Verkippung der Substratoberfl che in Drehrichtung zur [1100]-

Kristallrichtung des βH-SiC-Substrats zeigen sich dagegen geradlinige und jeweils parallel zur [1120]-Kristallrichtung der 6H-SiC-Epitaxieschicht gerichtete Mikrostufen an der Oberfläche der 6H-SiC-Epitaxieschicht .

In Applied Physics Letters , Vol . 66, No . 26, 26 June 1995, Sei ten 3645 bis 3647 wird bei einem fehlorientierten Epitaxieverfahren neben dem Entstehen von Mikrostufen ein Zusammenlagern („step bunching") von Mikrostufen zu größeren berg- und talartigen Makrostufen („hill-and valley macrostep structures") an der Oberfläche von 4H-SiC- und 6H-SiC- Epitaxieschichten beschrieben. Die 4H-SiC- und 6H-SiC- Epitaxieschichten werden auf um 3° bis 10° zur [1120]- Kristallrichtung fehlorientierten 4H- bzw. 6H-SiC-Substraten durch CVD bei einer Temperatur von 1500°C abgeschieden. Die Höhe der beim Wachstum entstandenen Mikrostufen beträgt aufgrund des Wachstumsmechanismus immer ein ganzahliges Vielfaches einer Si-C-Doppelatomlage (etwa 0,25 nm) und liegt bei 6H-SiC im Mittel bei drei Doppellagen und bei 4H-SiC im Durchschnitt bei vier Doppellagen. Die Breite der Mikrostufen liegt im Durchschnitt bei 6H-SiC bei 12 nm und bei 4H-SiC bei 17 nm. Wellen- oder berg-und-tal-förmige Makrostufen wurden beim epitaktischen Wachstum auf einer gegen die (0001) Si- Fläche verkippten Substratoberfläche beobachtet, nicht jedoch beim Wachstum auf einer gegen die (0001 )C-Fläche verkippten Substratoberfläche. Die Bildung der Makrostufen ist um so we- niger wahrscheinlich, je größer der Verkippungswinkel bei der Fehlorientierung der Substratoberfläche- ist. Die gemessene Höhe der Makrostufen beträgt bei 6H-SiC-Epitaxieschichten 3 nm und bei 4H-SiC-Epitaxieschichten 10 nm bis 15 nm. Die Breite der Terrassen zwischen den Stufen wurde zu 280 nm bei 6H-SiC und zwischen 110 nm und 160 nm bei 4H-SiC bestimmt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Kanalgebiet aus SiC und mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit in diesem Kanalgebiet anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 12.

Die Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1 umfaßt a) wenigstens ein Kanalgebiet (stromführendes oder stromtragendes Gebiet) aus einkristallinem Siliciumcarbid (SiC) mit einer Oberfläche, die wenigstens annähernd parallel zueinander verlaufende Erhebungen (Oberflächenstrukturen) aufweist, und b) wenigstens eine elektronisch aktive Struktur mit wenigstens zwei Elektroden, zwischen denen bei Anlegen einer elektrischen Betriensspannung in einem Durchlaßzustand durch das wenigstens eine Kanalgebiet ein elektrischer

Strom fließt, wobei die Stromflußrichtung im Kanalgebiet zumindest weitgehend parallel zu den Erhebungen an der Oberfläche des Kanalgebietes gerichtet ist.

Gemäß Anspruch 12 umfaßt die Halbleiteranordnung a) ein Substrat aus α-SiC mit einer Substratoberfläche, deren Flächennormale von der zur (0001) -Kristallrichtung paral- lelen polaren c-Achse des α-SiC um einen vorgegebenen Winkel zwischen etwa 1° und etwa 20° abweicht und zu einer senkrecht zu der c-Achse gerichteten Referenzrichtung hin verkippt ist, b) eine homoepitaktisch auf der Substratoberflache des Substrats aufgewachsene Schicht aus α-SiC, c) wenigstens ein Kanalgebiet, das in der cx-SiC-Schicht an einer von der Substratoberfläche abgewandten Oberfläche der cx-SiC-Schicht gebildet ist, und d) wenigstens eine elektronisch aktive Struktur mit wenigstens zwei Elektroden, zwischen die das wenigstens eine Kanalgebiet elektrisch geschaltet ist .

Die elektronisch aktive Struktur kann in einen Durchlaßzu- stand gebracht oder in einem Durchlaßzustand gehalten werden und ist so ausgebildet, daß in ihrem Durchlaßzustand bei Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung an die beiden Elektroden durch das wenigstens eine Kanalgebiet ein elektrischer Strom fließt, der zumindest weitgehend senkrecht zu der Refe- renzrichtung und senkrecht zu einer der <0001>-Kristallrich- tungen des α-SiC des Substrats und/oder der Schicht gerichtet ist .

Beide Lösungen gemäß der Erfindung beruhen auf der Erkennt- nis, daß die Beweglichkeit der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) , die den elektrischen Strom im SiC-Kanalgebiet tragen, in starkem Maße von der Oberflächenstruktur des SiC- Kanalgebiets abhängt und anisotrop, d.h. unterschiedlich für verschiedene Stromrichtungen im SiC-Kristall des Kanalgebiets ist.

Bei der Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1 weist die Oberfläche des SiC-Kanalgebietes bereits parallel zueinander gerichtete Erhebungen, insbesondere stufen- oder wellenförmige Strukturen, auf, die einen elektrischen Stromfluß in dem SiC- Kanalgebiet stark behindern, falls der elektrische Strom eine oder mehrere dieser Erhebungen kreuzen muß. Parallel zu den Erhebungen ist die Ladungsträgerbeweglichkeit am höchsten, der dem elektrischen Strom entgegengebrachte elektrische Widerstand im SiC-Kanalgebiet also am niedrigsten. Senkrecht (orthogonal) zu den Erhebungen ist die Ladungsträgerbeweg- lichkeit dagegen am niedrigsten, und der elektrische Widerstand ist entsprechend am höchsten.

Diese Anisotropie der Ladungsträgerbeweglichkeit an der strukturierten SiC-Oberfl che wird gemäß Anspruch 1 im Layout einer Halbleiteranordnung mit einem an der Oberfläche angeordneten Kanalgebiet berücksichtigt, indem der elektrische Strom, zumindest soweit er an der SiC-Oberflache mit den Erhebungen verläuft, wenigstens überwiegend parallel zu den Erhebungen eingestellt wird. Mit dieser Maßnahme können die störenden Einflüsse von jeglichen zumindest in Teilbereichen parallel zueinander verlaufenden Oberflächenrauhigkeiten praktisch kompensiert werden.

Parallele Oberflächenerhebungen treten insbesondere an der Oberfläche von SiC-Halbleitergebieten auf, die gemäß einem epitaktischen CVD-Wachstum auf fehlorientierten SiC- Substratoberflachen homoepitaktisch aufgewachsen wurden. Es hat sich gezeigt, daß solche Erhebungen an der Oberfläche auch nach einem möglichen Entfernen durch Schleifen oder ähn- liehe Verfahren wieder auftraten. Bei experimentellen Untersuchungen wurden nämlich auch an ursprünglich glatten Oberflächen von fehlorientiert gewachsenen SiC-Halbleitergebieten nach dem thermischen Ausheilen von in diesen SiC- Halbleitergebieten implantierten Halbleitergebieten bei Aus- heiltemperaturen von typischerweise über 1000°C Makrostufen einer Höhe zwischen etwa 20 nm und etwa 80 nm und dazwischenliegende Terrassen einer Breite zwischen 500 nm und 2000 nm beobachtet, insbesondere bei hohen Implantationsraten. Weiterhin wurden auch beim thermischen Oxidieren der Oberfläche des fehlorientiert gewachsenen SiC-Halbleitergebiets bei Oxi- dationstemperaturen von typischerweise 1100°C zum Erzeugen eines Gateoxids einer MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) -Struktur Mikrostufen unter dem Gateoxid an der Oberfläche des Kanalgebiets beobachtet, die sich aufgrund der unterschiedlichen Oxidationsraten für unterschiedliche kr.istallographische Ebenen bilden. Sowohl die Stufen beim thermischen Ausheilen als auch beim thermischen Oxidieren waren gleichgerichtet zu den unmittelbar nach der Epitaxie auf fehlorientierten Substraten entstandenen Stufen, so daß beide Prozesse die Stufenbildung gleichermaßen verstärken. Da nun zur Herstellung von SiC- Halbleiteranordnungen im allgemeinen wenigstens einer der Prozesse Ionenimplantation und Oxidation verwendet wird, führt die Verkippung der Substratoberfläche beim Epitaxieprozeß somit an der Oberfläche der aufgewachsenen SiC- Epitaxieschicht immer zu zueinander parallelen Erhebungen (Mikrostufen und Makrostufen) .

Gemäß Anspruch 12 wird deshalb im Layout der Halbleiteranordnung mit der auf einer fehlorientierten Substratoberfläche ho oepitaktisch aufgewachsenen α-SiC-Schicht die elektronisch aktive Struktur so ausgebildet, daß der elektrische Strom durch das wenigstens eine Kanalgebiet zumindest weitgehend parallel zu einer kristallographisch vorgegebenen Richtung fließt. Diese besondere Stromrichtung ist senkrecht zu der Referenzrichtung und senkrecht zu einer der <0001>- Kristallrichtungen des α-SiC gewählt. Durch diese Maßnahmen wird die Ladungsträgerbeweglichkeit im Kanalgebiet von vor- neherein optimiert unabhängig von weiteren Technologieschritten wie beispielsweise einer nachfolgenden Oxidation an der Oberfläche des Kanalgebietes.

Erste vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiteranordnung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Vorzugsweise wird für das SiC-Kanalgebiet α-SiC verwendet. Der Begriff α-SiC umfaßt alle Polytypen von einkristallinem SiC mit hexagonaler oder rhomboedrischer Kristallstruktur, insbesondere den 4H- oder 6H-Polytyp. Die Erhebungen an der Oberfläche des SiC-Kanalgebietes verlaufen in einer Ausführungsform im wesentlichen parallel zu einer der <1100>-Kristallrichtungen des α-SiC. Mit <lTθO> wird eine Schar (Familie) von mehreren verschiedenen Kristallrichtungen (sechs Kristallrichtungen im hexagonalen Kristallsystem) bezeichnet. Ein bevorzugter Vertreter dieser Kristallrichtungen ist die [1100]-Kristallrichtung des α-SiC des SiC-Kanalgebietes.

Die Erhebungen an der Oberfläche des SiC-Kanalgebietes können in einer anderen Ausführungsform aber auch im wesentlichen parallel zu einer der, im hexagonalen System wiederum sechs, <1120>-Kristallrichtungen des oc-SiC verlaufen.

In einer weiteren Ausführungsform laufen die Erhebungen jeweils in Kanten oder Stufen aus. Die Kanten oder Stufen verschiedener Erhebungen können nun im wesentlichen entlang gerader und zueinander paralleler Linien verlaufen oder auch im wesentlichen jeweils einer Zickzack-Linie folgen, wobei die Hauptrichtungen verschiedener Zickzack-Linien wieder parallel zueinander sind.

Die Erhebungen sind im allgemeinen zwischen etwa 0,25 nm und etwa 80 nm hoch und zwischen etwa 10 nm und etwa 2000 nm breit, abhängig von ihrer Entstehung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiteranordnung ergeben sich aus den vom Anspruch 12 ab- hängigen Ansprüchen.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Verkippung der Substratoberfläche in Richtung einer <ll ^"θ>- Kristallrichtung des Cc-SiC als Referenzrichtung, vorzugsweise der [1120]-Kristallrichtung. In einer anderen Ausführungsform kann die Referenzrichtung aber auch eine der <1100>- Kristallrichtungen des α-SiC sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Halbleiteranordnung hat das wenigstens eine Kanalgebiet zumindest an seiner Oberfläche und zumindest überwiegend die Gestalt eines Rechtecks, wobei zwei Seiten dieses Rechtecks parallel zum elektrischen Strom im Kanalgebiet und die anderen beiden Seiten orthogonal zur Stromrichtung gerichtet sind. Die parallel zum Stromfluß gerichteten Seiten des Rechtecks werden möglichst kurz gewählt und die senkrecht zum Strom gerichteten Seiten möglichst lang. Das Verhältnis der Seitenlänge der parallel zum Stromfluß gerichteten Rechteckseiten zur Seitenl nge der senkrecht zum Ξtromfluß gerichteten Rechteckseiten wird insbesondere höchstens zu 0,3 und vorzugsweise höchstens zu 0,01 gewählt .

Die Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung treten besonders stark bei feldgesteuerten SiC-Halbleiteranordnungen hervor, bei denen durch Anlegen elektrischer Felder an Steuerelektroden der elektrische Widerstand von oberflächennahen SiC-Halbleitergebieten (Kanalgebieten) durch Ändern der La- dungsträgerkonzentrationen gesteuert wird. Die mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung erreichte höhere Kanalbeweglichkeit der Ladungsträger in den Kanalgebieten verbessert das Schaltverhalten dieser SiC-Halbleiteranordnungen und verrin- gert die Verluste. Bevorzugte feldgesteuerte Halbleiteranordnungen sind Halbleiteranordnungen mit MIS (Metal-_Insulator- Siemiconductor) -Strukturen, vorzugsweise mit MOS (Metal-Oxide- S_emiconductor) -Strukturen, insbesondere MISFETs (Metal- _Insulator-_Semiconductor-Field-Effect-Transistor) , IGBTs nsulated-Gate-Bipolar-Transistor) und MCTs (MIS- oder MOS- Controlled-Thyristor) . Die Erfindung kann aber auch bei JFETs oder GTOs angewendet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnun- gen Bezug genommen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung: LO LO to t' o F¹ F>

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weise eine Epitaxie durch physikalische Abscheidung aus sub- limiertem SiC in der Gasphase (Physical Vapour Deposition = PVD) und vorzugsweise eine Epitaxie durch chemische Gaspha- senabscheidung (Chemical Vapour Deposition = CVD), verwendet. Bei einem CVD-Epitaxieverfahren wird das SiC durch chemische Reaktion aus einem Gasgemisch von einem oder mehreren silici- um- und kohlenstoffhaltigen Arbeitsgasen, beispielsweise Si- lan und einem Kohlenwasserstoff wie Propan, und einem Trägergas, beispielsweise Wasserstoff und/oder Inertgase, abge- schieden. Die Abscheidetemperaturen am Substrat 3 liegen üblicherweise zwischen 1400°C und 1800°C und vorzugsweise bei etwa 1500°C. Der statische Druck in der Gasatmosphäre wird vorzugsweise zwischen etwa 10000 Pa und etwa 100 000 Pa eingestellt .

Besteht das Substrat 3 aus α-SiC, so wird die als Wachstums- flache vorgesehene Substratoberflache 30 vor dem Abscheiden der SiC-Schicht 5 beispielsweise durch Schneiden, Sägen oder Schleifen so präpariert, daß ihre mit R2 bezeichnete Flächen- normale unter einem vorgegebenen Winkel γ zwischen etwa 1° und etwa 20°, insbesondere zwischen etwa 2° und etwa 10° und vorzugsweise zwischen etwa 3° und etwa -8° (3,5° für 6H-SiC und 8° für 4H-SiC) gegen eine mit Rl bezeichnete und parallel zu der [0001]-Kristallrichtung gerichtete Richtung (polare c- Achse des SiC-Kristalls) geneigt ist in Neigungsrichtung

(Drehrichtung) zu einer mit REF bezeichneten Referenzrichtung. Durch eine solche „Fehlorientierung" („off- orientation" ) der Substratoberfläche 30 gegenüber einer der zueinander parallelen {0001}-Kristallflachen, nämlich der als Silicium-Seite bezeichneten (0001) -Kristallfläche oder der als Kohlenstoff-Seite bezeichneten (0001 ) -Kristallfläche, des SiC-Kristalls des Substrats 3 wird eine Schicht 5 mit besonders guter Qualität erzeugt und insbesondere erreicht, daß die SiC-Schicht 5 vom gleichen Polytyp wie das SiC-Substrat 3 ist und keinen Polytypismus zeigt. Die <0001>-

Kristallrichtungen sind im SiC-Kristallsystem die nach außen gerichteten Flächennormalen der entsprechenden {0001}- Kristallflächen. Als Referenzrichtung REF wird im allgemeinen eine SiC-Kristallrichtung gewählt, die parallel zu einer der {0001}-Kristallflachen ist, insbesondere eine der im hexagonalen Kristallgitter von 4H-SiC oder 6H-SiC sechs äquivalen- ten <1120>-Kristallrichtungen oder der im hexagonalen Kristallgitter von 4H-SiC oder 6H-SiC ebenfalls sechs äquivalenten <1100>-Kristallrichtungen. Die besten Ergebnisse werden mit einer Verkippung in Richtung der [1120]-Kristallrichtung des α-SiC des Substrats 3 erzielt. Die SiC-Schicht 3 wird durch Zugabe von entsprechenden Dotierstoffverbindungen während des CVD-Prozesses gemäß einem gewünschten Leitungstyp dotiert, beispielsweise mit Bor (B) oder Aluminium (AI) für eine p-Dotierung oder mit Stickstoff (N) für eine n-Dotie- rung .

Derartige Epitaxieverfahren sind an sich bekannt, beispielsweise aus den eingangs erwähnten drei Druckschriften US-A- 5, 011 , 549, Materials Research Society Symposium Proceedings , Vol . 162, 1990, Sei ten 397 bis 407 und Appli ed Physics Let - ters , Vol . 66, No . 26, 26 June 1995, Sei ten 3645 bis 3647, deren Offenbarung in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung miteinbezogen wird. Aus diesen Druckschriften ist auch, wie eingangs ebenfalls erwähnt, bekannt, daß sich an der Schichtoberfläche 50 der aufgewachsenen SiC-Schicht 5 aufgrund des fehlorientierten Wachstums stufen- oder wellenförmige Erhebungen bilden, die in den FIG 1 und 2 mit 6 bezeichnet sind. Die Erhebungen 6 in den FIG 1 und 2 weisen jeweils eine geradlinige Kante (Stufe, Schneide) 60 auf, die parallel zu einer mit M bezeichneten Hauptrichtung verlaufen. Die Hauptrichtung M ist senkrecht zur Verkippungsebene

(Drehebene) gerichtet, die von zwei der drei Richtungen Rl und R2 sowie REF aufgespannt wird. Diese Verkippungsebene wird kristallographisch bestimmt und dann durch einen Bezugsschnitt („Fiat") 31 markiert. Jede Erhebung 6 weist ferner eine bis zur Kante 60 unter dem Neigungswinkel γ flach ansteigende Terrasse und eine steil abfallende Fläche auf. Die durch die Abstände der Kanten 60 voneinander bestimmte Breite co LO t t P> P¹

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beispielsweise einer gegen die ( 0001) -Kristallfläche (Siliciumseite) des α-SiC zur [1120]-Kristallrichtung des α- SiC hin um den Neigungswinkel γ orientierten Substratoberflache 30 ist eine vergleichsweise dünne α-SiC-Schicht 5 eines vorgegebenen Leitungstyps (n- oder p-Leitung) homoepitaktisch aufgewachsen gemäß einem der bereits beschriebenen Verfahren. Die Dicke des Substrats 3 liegt typischerweise zwischen 300 μm und 400 μm, während die Dicke der Schicht 5 typischerweise bei einigen μm, beispielsweise 10 μm liegt. Aufgrund des fehlorientierten epitaktischen Wachstums weist die Schichtoberfläche 50 der Schicht 5 wieder schematisch und vergrößert dargestellte parallel zueinander verlaufende Erhebungen 6 auf. An der Schichtoberfläche 50 der SiC-Schicht 5 ist nun ein entgegengesetzt zur Schicht 5 dotiertes Basisgebiet 8 in die Schicht 5 implantiert durch Implantation von Ionen eines oder mehrerer Dotierstoffe für den gewünschten Leitungstyp, beispielsweise Stickstoff (N) für n-Leitung oder Aluminium (AI) und/oder Bor (B) für p-Leitung. Das Basisgebiet hat eine rechteckige Oberfläche 80 an der Schichtoberfläche 50. Inner- halb dieser Oberfläche 80 des Basisgebiets 8 sind nun ein rechteckiges Sourcegebiet 10 und ein ebenfalls rechteckiges Draingebiet 12 jeweils vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Basisgebiet 8 implantiert. Typische Implantationstiefen liegen unter 1 μm. Die implantierten Gebiete werden vorzugs- weise durch eine Hochtemperaturbehandlung thermisch ausgeheilt. Bei diesem thermischen Ausheilen werden die Erhebungen 6 an der Schichtoberfläche 50 noch verstärkt und vergrößert. Das Sourcegebiet 10 ist mit einer Sourceelektrode 15 kontaktiert und das Draingebiet 12 mit einer Drainelektrode 16 (nur in FIG 6 dargestellt) .

Das zwischen dem Sourcegebiet 10 und dem Draingebiet 12 an der Oberfläche 80 liegende Teilgebiet des Basisgebiets 8 ist ein Kanalgebiet 2 mit ebenfalls rechteckiger Oberfläche 20, die mit der Oberfläche 80 zusammenfällt. Die kürzeren Seiten 22 und 23 der rechteckigen Oberfläche 20 des Kanalgebiets 2 sind parallel zu den Erhebungen 6 gerichtet und die längeren co co to t P¹ P-¹ cn D cn o cn o LΠ

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ten 22 und 23 der rechteckigen Teilgebiete 26 parallel zu den Erhebungen 6 an der Oberfläche 20 des Kanalgebiets 2. Somit fließt im Durchlaßzustand der elektrische Strom I bei Anliegen einer Betriebsspannung zwischen Sourceelektrode 15 und einer auf der von der Schicht 5 abgewandten Seite des

Substrats 3 vorgesehenen Drainelektrode 16 (nur in FIG 8 dargestellt) in den Teilgebieten 26 des Kanalgebietes 2 parallel zu den Erhebungen 6. Umgekehrt ist es bei den weiteren rechteckigen Teilgebieten 27 und 28, die jeweils die Teilgebiete 26 miteinander verbinden. In diesen Teilgebieten 27 und 28 fließt der Strom I senkrecht zu den Erhebungen 6. Die parallel zu den Erhebungen 6 verlaufenden Längen a der Teilgebiete 27 und A der Teilgebiete 28 werden deshalb möglichst klein im Verhältnis zur Länge y der Teilgebiete 26 gehalten.

Der mit dem Basisgebiet 8 und der SiC-Schicht 5 gebildete p- n-Übergang nimmt im Sperrfall die Sperrspannung zwischen Sourceelektrode 15 und Drainelektrode 16 auf.

Wenn das Substrat 3 in der in den FIG 7 und 8 dargestellten

Ausführungsform vom gleichen Leitungstyp wie die aufgewachsene SiC-Schicht 5 ist, so entspricht die elektronisch aktive Struktur 7 dieser Halbleiteranordnung einer vertikalen MOSFET-Struktur . Ist das Substrat 3 dagegen vom entgegege- setzten Leitungstyp wie die Schicht 5, so wird zwischen

Schicht 5 und Substrat 3 ein zusätzlicher p-n-Übergang zwischen Sourceelektrode 15 und Drainelektrode 16 geschaltet. Die elektronisch aktive Struktur 7 entspricht dann einer IGBT-Struktur . Durch entsprechende Weiterbildung kann die MOS-Struktur gemäß der Erfindung mit zumindest überwiegend parallel zu den Erhebungen 6 an der Oberfläche 20 im Kanalgebiet 2 fließendem Strom auch für einen MOS gesteuerten Thyristor (MCT) verwendet werden.

Anstelle einer mäanderförmigen MOS-Struktur kann auch bei dem vertikalen Aufbau gemäß den FIG 7 und 8 ein offenes, rechtek- kiges Design wie in FIG 5 gewählt werden, insbesondere in ei- nem Zelldesign mit mehreren Basisgebieten 8. Das Basisgebiet 8 muß nicht implantiert sein, sondern kann auch auf der Schicht 5 homoepitaktisch abgeschieden werden in einem Trench-MOS-Aufbau. Die Erfindung ist überdies nicht auf Halbleiteranordnungen mit MOS-Strukturen beschränkt, sondern erhöht die Ladungsträgerbeweglichkeit in allen oberflächennahen, stromtragenden SiC-Gebieten, an denen im allgemeinen unerwünschte parallel zueinander verlaufende Erhebungen 6 auftreten

Eine Halbleiteranordnung gemäß einer der vorangegangenen Aus- führungsformen kann mit einem Verfahren mit den folgenden nacheinander auszuführenden Verfahrensschritten hergestellt werden : a) Bereitstellen eines SiC-Substrats 3 wie beschrieben b) Aufbringen der SiC-Schicht 5 durch chemische Gasphasenepitaxie wie bereits beschrieben c) kristallographische Bestimmung der Referenzrichtung und der polaren Achse (<0001>-Kristallrichtungen) des SiC des Substrats 3 und der Schicht 5 wie beschrieben d) Erzeugen der elektronisch aktiven Struktur 7 durch geeignete Herstellschritte derart, daß der Stromfluß senkrecht zur Referenzrichtung parallel zur Oberfläche im Kanalgebiet fließt.

Claims

Patentansprüche

1 . Halbleiteranordnung umfassend a) wenigstens ein Kanalgebiet (2) aus einkristallinem Siliciumcarbid (SiC) mit einer Oberfläche (20), die wenigstens annähernd parallel zueinander verlaufende Erhebungen (6) aufweist, b) wenigstens eine elektronisch aktive Struktur (7) mit wenigstens zwei Elektroden (15,16), zwischen denen bei Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung in einem Durchlaßzustand der elektronisch aktiven Struktur (7) durch das wenigstens eine Kanalgebiet (2) ein elektrischer Strom (I) fließt, der zumindest weitgehend parallel zu den Erhebungen (6) an der Oberfläche (20) des Kanalgebietes (2) gerichtet ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1,^" bei der das Kanalgebiet (2) aus α-SiC besteht.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei der die

Erhebungen (6) an der Oberfläche (20) des Kanalgebietes (2) im wesentlichen parallel zu einer der <1100>- Kristallrichtungen des α-SiC verlaufen.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, bei der die

Erhebungen (6) an der Oberfläche (20) des Kanalgebietes (2) im wesentlichen parallel zu der [1100]-Kristallrichtung des α-SiC verlaufen.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei der die

Erhebungen (6) an der Oberfläche (20) des Kanalgebietes (2) im wesentlichen parallel zu einer der <1120>- Kristallrichtungen des α-SiC verlaufen.

6. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, bei der die Erhebungen (6) an der Oberfläche (20) des Kanalgebietes (2) jeweils Kanten (60) oder Stufen aufweisen .

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, bei der die Kanten (60) bzw. Stufen der Erhebungen (6) jeweils zumindest annähernd geradlinig verlaufen.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, bei der die Kanten (60) bzw. Stufen der Erhebungen (6) jeweils zumindest annähernd zickzackförmig verlaufen.

9. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erhebungen (6) jeweils zwischen etwa 0,25 nm und etwa 80 nm hoch sind.

10. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erhebungen (6) jeweils zwischen etwa 10 nm und etwa 2000 nm breit sind.

11. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, bei der die Oberfläche (20) des wenigstens einen Kanalgebietes (2) wenigstens teilweise die Form eines Rechtecks aufweist, wobei eine erste Seite (22) und eine zweite Seite (23) dieses Rechtecks parallel zu den Erhebungen (6) und eine dritte Seite (24) und eine vierte Seite (25) senkrecht zu den Erhebungen (6) verlaufen.

12. Halbleiteranordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) ein Substrat (3) aus Ot-SiC mit einer Substratoberfläche

(30) , die gegen eine der {0001}-Kristallflachen des α-SiC um einen vorgegebenen Winkel (γ) zwischen etwa 1° und etwa 20° zu einer senkrecht zu einer der <0001>-Kristallrich- tungen des oc-SiC gerichteten Referenzrichtung (REF) hin geneigt ist, b) eine homoepitaktisch auf der Substratoberfläche (30) des Substrats (3) aufgewachsene Schicht (5) aus cx-SiC c) wenigstens ein Kanalgebiet (2), das in der α-SiC-Schicht (5) an einer von der Substratoberfläche (30) abgewandten Oberfläche (50) der α-SiC-Schicht (5) gebildet ist, und d) wenigstens eine elektronisch aktive Struktur (7) mit wenigstens zwei Elektroden (15,16), zwischen denen bei Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung in einem Durchlaßzustand durch das wenigstens eine Kanalgebiet (4) ein elektrischer Strom (I) fließt, der zumindest weitgehend senkrecht zu der Referenzrichtung (REF) und senkrecht zu einer der <0001>-Kristallrichtungen des α-SiC des Substrats (3) und/oder der Schicht (5) gerichtet ist.

13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, bei der die Referenzrichtung (REF) eine <1120>-Kristallrichtung des α- SiC des Substrats (3) ist.

14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 13, bei der die Referenzrichtung (REF) die [11^"20]-Kristallrichtung des α-SiC des Substrats (3) ist.

15. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, bei der die Referenzrichtung (REF) eine <1100>-Kristallrichtung des α- SiC des Substrats (3) ist.

16. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die mit der von der Substratoberfläche (30) abgewandten Oberfläche (50) der Schicht (5) zusammenfallende Oberfläche (20) des wenigstens einen Kanalgebietes (2) wenigstens teilweise die Form eines Rechtecks aufweist, wobei eine erste Seite (22) und eine zweite Seite (23) dieses Rechtecks im wesentlichen senkrecht zu der Referenzrichtung (REF) verlaufen und eine dritte Seite (24) und eine vierte Seite (25) des Rechtecks im wesentlichen jeweils senkrecht zur ersten Seite (22) und zweiten Seite (23) verlaufen.

17. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11 oder Anspruch 16, bei der die erste Seite (22) und die zweite Seite (23) der rechteckigen Oberfläche (20) oder der rechteckförmige Teil der Oberfläche (20) des wenigstens einen Kanalgebietes (2) jeweils kürzer sind als die dritte Seite (24) und die vierte Seite (25) .

18. Halbleiteranordnung nach Anspruch 17, bei der die erste Seite (22) und die zweite Seite (23) der rechteckigen Oberfläche (20) oder der rechteckförmige Teil der Oberfläche (20) des wenigstens einen Kanalgebietes (2) jeweils höchstens 0,3 mal so lang sind wie die dritte Seite (24) und die vierte Seite (25) .

19. Halbleiteranordnung nach Anspruch 18, bei der die erste Seite (22) und die zweite Seite (23) der rechteckigen Oberfläche (20) oder der rechteckförmige Teil der Oberfläche (20) des wenigstens einen Kanalgebietes (2) jeweils höchstens 0,01 mal so lang sind wie die dritte Seite (24) und die vierte Seite (25) .

20. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das wenigstens eine Kanalgebiet (2) mäanderför ig ausgebildet ist.

21. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektronisch aktive Struktur (7) eine MIS-Struktur mit dem wenigstens einen Kanalgebiet (2) umfaßt.

22. Halbleiteranordnung nach Anspruch 21, bei der die elektronisch aktive Struktur (7) eine MISFET-Struktur umfaßt.

23. Halbleiteranordnung nach Anspruch 21, bei der die elektronisch aktive Struktur (7) eine IGBT-Struktur umfaßt.

24. Halbleiteranordnung nach Anspruch 21, bei die elektronisch aktive Struktur (7) eine MCT-Struktur umfaßt

25. Halbleiteranordnung nach Anspruch 21, bei die elektronisch aktive Struktur (7) eine JFET-Struktur umfaßt.