DE102004047313B3

DE102004047313B3 - Halbleiteranordnung mit einem Tunnelkontakt und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004047313B3
Application number: DE102004047313A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Mithlehner; Dietrich Dr. Stephani
Original assignee: SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: CN101032029A; WO2006034970A1

Abstract

Bei einer Halbleiteranordnung aus Siliciumcarbid oder dergleichen mit einem Wafer als Substrat ist ein hochleitfähiger Tunnelkontakt vorhanden. Dazu wird ein n-Substrat verwendet, wobei eine Umkehrung der Dotierung beim weiteren epitaktischen Wachstum erfolgt. Bei der Herstellung einer solchen Anordnung durch epitaktische Beschichtung eines n-dotierten Wafers als Substrat mit einem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Epitaxie) wird zur Herstellung des Tunnelkontaktes vor der p-Epitaxie eine n-Implantation in den Wafer vorgenommen. Es können so insbesondere IGBT-artige Bauelemente hergestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung aus Siliciumcarbid oder ähnlichem Material mit großem Bandabstand, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung, insbesondere zur Verwendung als spezifische Schaltelemente.
Halbleiteranordnungen bestehen üblicherweise aus einem Wafer als Substrat und darauf befindlichen halbleitenden Schichten vorgegebener Dotierung. Durch geeigneten Aufbau und mit zugehörigen Elektroden kann aus der Anordnung ein Halbleiterschaltelement gebildet werden.
Für eine Reihe von insbesondere bipolaren Schaltern, die auf dem Halbleitermaterial Siliciumcarbid (SiC) aufbauen, benötigt man eine p-leitende Rückseite des SiC-Materials. Da p-leitende Substrate (Wafer) – bedingt durch die Kristallzuchttechnik – eine schlechte spezifische Leitfähigkeit in der Größenordnung von einigen Ωcm haben, sind solche p-Wafer zum Aufbau eines Schaltelementes nicht verwendbar.
Bekanntermaßen kann zwar der reale Widerstand des Substrates durch Dünnen des p-Wafers proportional mit der Dicke verringert werden. Ein Einsatz derartiger Substrate in der Leistungselektronik wird allerdings durch die Defektdichte der p-Wafer, die deutlich über der von derzeit verfügbaren n-leitenden Substraten liegt, verhindert. Dies gilt bei der vorhandenen Defektdichte der p-Wafer wegen der dadurch bedingten statischen Verluste aus technischen, sowie wegen der geringen Ausbeute auch aus wirtschaftlichen Gründen.
Letzteres Problem könnte nur durch einen Qualitätssprung in der Entwicklung zukünftiger p-Substrate gelöst werden. Aller dings sprechen sowohl Entwicklungsprobleme wie auch geschätzter Marktbedarf gegen einen raschen Fortschritt aufgrund einer derartigen Entwicklung. Im Übrigen werden bei Anwendungen solcher Substrate zusätzlich meist hohe Ströme mit entsprechend großen Chipflächen gefordert.

Aus der WO 2004/075253 A2, der EP 0 864 180 B1 und der US 2003/0151042 A1 sind Halbleiteranordnungen mit Tunnelkontakten bekannt. Dabei beziehen sich allerdings die Halbleiteranordnungen auf solche Anordnungen, die andere Materialien als Siliciumcarbid als Basis haben. Die Veröffentlichung „Applied Physics Letters", ISSN 0003-6951 (1993), Vol. 62, No. 20, Seiten 2510 bis 2512 beinhaltet speziell Anordnungen mit Galliumarsenid und/oder Indium-Galliumarsenid als Halbleitermaterialien.

Daneben zeigt die US 5 338 944 A dagegen im Zusammenhang mit Siliciumcarbid die zuständigen Mittel, um einen Tunnelkontakt zu realisieren, welche einen so genannten entarteten (degenerated) Halbleiterübergang realisieren.

Weiterhin beinhaltet die DE 199 54 343 A1 ine Anordnung mit einem durch Zweifachepitaxie hergestellten Tunnelkontakt. Im Wesentlichen gleiches gilt für die US 3 254 278 . Schließlich zeigt die Veröffentlichung „IEEE Transactions on Electron Devices", ISSN 0018/9383 (1999), Vol. 46, No. 3, Seiten 542 bis 545 einen Siliciumcarbid-MOSFET.

Ausgehend von vorstehend abgehandeltem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine alternative Realisierung von Halbleiteranordnungen für obigen Zweck anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 9. Weiterbildungen der Anordnung und des zugehörigen Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Ausbildung von Schaltelementen, sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird eine alternative Möglichkeit für Halbleiteranordnungen, insbesondere zwecks Einsatz als bipolare Schalter, unter Verwendung von n-Wafern als Ausgangssubstrat angegeben. Dabei werden auf dem SiC-Halbleitermaterial Tunnelkontakte realisiert. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Tunnelkontaktes für Bauelemente hat dies jedoch keine Umkehrung der Dotierungen und damit auch keine Umkehrung der gewohnten Spannungen zur Folge.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.

Es zeigen
1a bzw. 1b zwei Alternativen für die Implantation von entweder Al-Ionen oder N-/Al-Ionen in ein Substrat,
2 eine graphische Darstellung der Dotierungskonzentration in Abhängigkeit von der Dicke und
3 das Zelldesign eines IGBT-artigen Halbleiterbauelementes und
4 das Design nach 3 mit einem strukturierten p-Emitter.
Es soll eine Halbleiteranordnung auf der Basis von Siliciumcarbid (SiC) mit wenigstens einem Tunnelkontakt versehen werden. Dabei bedient man sich der Technologie der Ionenimplantation, was zunächst anhand der 1a, 1b und 2 beschrieben wird. Anschließend wird anhand 3 und 4 deren Anwendung bei einem mit entsprechenden Elektroden versehendem SiC-Schichtaufbau verdeutlicht, womit ein IGBT-artiges Bauelement realisiert ist.
In 1 ist ein n-Substrat 1 mit einer Deckschicht 2 dargestellt. Gemäß 1a erfolgt eine flache Implantation von Al-Ionen 3 mit einer Energie von 25 kV und sehr hohen Dosen (> 10¹³/cm²). Neben Al-Ionen kommen ggf. Bor(B)-Ionen für eine Implantation in Frage.
In einer Alternative gemäß 1b erfolgt zunächst eine flache Implantation von 25 kV N-Ionen mit sehr hohen Dosen (> 10¹³/cm²)4 in das Substrat 1, so dass sich eine Deckschicht 2' bildet. Anschließend erfolgt entsprechend 1a die Implantation von 25 kV Al-Ionen 3 mit sehr hohen Dosen (> 10¹³/cm²).
Statt der N-Ionen im ersten Teilschritt kommen ggf. auch Phosphor(P)-Ionen zur Implantation in Frage, wobei im zweiten Teilschritt entsprechend obigen Ausführungen gearbeitet wird. In beiden Fällen lässt sich somit ein SiC-Tunnelkontakt auf dem n-Wafer realisieren mit nahezu abruptem, symmetrischem pn-Übergang, dessen Verhalten anhand von 2 erläutert wird.
In 2 ist in einer graphischen Darstellung mit einem Graphen 21 auf der Abszisse des Koordinatensystems die Dicke in μm bzw. nm und auf der Ordinate die Dotierungskonzentration in cm^–3 angegeben. Es wird eine Implantation von Al-Ionen in eine 50 nm dicke, epitaktisch aufgewachsene Schicht 2 auf einem n-Substrat 1 untersucht:
Beim angegebenen Beispiel hat das n-Substrat eine Dotierungskonzentration von etwa 5·e¹⁸cm^–3, die p-Epi-50 nm-Schicht eine Dotierungskonzentration von etwa 3·e¹⁶cm^–3 und die Al 25 kV-Ionenimplantation eine Dosis von 5·e¹⁴cm^–2.
In 2 zeigt der Graph 21 zunächst eine Erhöhung der Dotierungskonzentration im Bereich von < 0,05 μm, d.h, im Bereich kleiner als 50 nm. Zunächst steigt die Zustandsdichte an. Bei 25 nm liegt in etwa ein Maximum mit 3·e¹⁹cm^–3 vor und fällt dann wieder ab. Bei etwa 50 nm bricht die Kurve 21 auf der Oberfläche des epitaktisch aufgewachsenen Substrates scharf ein und steigt anschließend in einem Bereich von < 10 nm Breite wieder bis zur Gleichgewichtskonzentration von Aluminium an. Die extrapolierte, gestrichelte Linie 22 gibt dabei den Verlauf der Al 25 kV Implantation wieder.
Durch den scharfen Übergang der Zustandsdichte gemäß 2, wird ein Tunnelkontakt realisiert, in dem die Ladungsträger quantenmechanisch tunneln können. Diese Funktion ist für den Aufbau eines bipolaren Schaltelementes auf Siliziumkarbid(SiC)-N+ Substraten für die Ausformung eines rückseitigen p+-Emitters wesentlich.
In 3 ist ein IGBT als Halbleiterschaltelement dargestellt, das aus einem Wafer mit darauf befindlichen halbleitenden Schichten besteht: Im Einzelnen kennzeichnet 30 ein n+-Substrat, auf dessen Unterseite sich ein ohmscher Kontakt 31 befindet, der beim IGBT den „Drain-Kontakt" realisiert. Auf dem n+-Substrat 30 befindet sich einerseits ein Tunnel kontakt 50 und weiterhin halbleitende Schichten 32 bis 40, welche nachfolgend beschrieben werden.
Die Schicht 32 stellt einen p⁺-Emitter dar, der nach obigem Verfahren hergestellt ist. Auf der p⁺-Schicht 32 befindet sich eine epitaktisch hergestellten-leitende Schicht 33. Damit ist ein rückseitiger p-Emitter realisiert, der die Grundlage für ein bipolares Bauelement darstellt.
Im aktiven Gebiet des Bauelementes ist im Zentrum eine p⁺-Kontaktschicht 34 vorhanden, die beiderseits durch einen p-Bereich 35 (sog. P-Wanne o. engl. „well") abgeschirmt sind. Über dem Bereich 35 befindet sich eine n+-Quelle 36 und jeweils seitlich ein p-Kanal 37. Darüber ist eine „Gate-Oxid"-Schicht 38 angeordnet, welche wiederum durch eine „Poly-Si-Gate"-Schicht 39 abgedeckt ist.
aber dieser gestuften Anordnung ist eine Isolationsschicht 40 aufgebracht und abgestuft zum Zentrum eine Kontaktschicht 41, welche den „Source-Kontakt" des IGBTs darstellt.
Wesentlich ist, dass auf dem Wafer durch die spezifische Herstellungsweise ein schmales Tunnelgebiet 50 zwischen n+-Substrat 30 und p⁺-Emitter 32 gebildet ist. Damit ist die Funktion der p-leitenden Rückseite auf dem Halbleitermaterial Siliciumcarbid erfüllt.
In 4 ist ein zu 3 entsprechender Aufbau eines IGBT-artigen Bauelementes dargestellt. Dabei ist der p⁺-Emitter 32 aus 3 strukturiert, so dass sich einzelne Bereiche 42, 42' ... ergeben. Es lassen sich somit so genannte „Anodenshorts" realisieren, welche im Ergebnis Kurzschlüsse bestimmter Stärke – definiert durch die räumliche Aufteilung – darstellen.
Durch die Epitaxie der Epi-Schichten 32 und 33 und eine Ätzung vor dem epitaktischen n-Wachstum ergibt sich ein struk turierter p+-Emitter mit Bereichen 42', 42'', so dass verteilte Kurzschlüsse auftreten können. Solche Kurzschlüsse („Anodenshorts") werden beispielsweise durch Ätzung der epitaktischen Waferschicht hergestellt.
Bei den in den 3 und 4 angegebenen Beispielen können also vorteilhafterweise in guter Qualität zur Verfügung stehende n-Wafer verwendet werden. Damit wird die Tatsache berücksichtigt, dass die an sich benötigten p-Wafer hinreichender Qualität in der Praxis nicht zur Verfügung stehen.
Letzteres Problem wird bei obigen Beispielen durch die Herstellung eines ohm'schen Kontaktes 31 auf der Unterseite des n⁺⁺-Substrates 30 und der auf der Oberseite liegenden, z.B. 50 nm dicken p-epi-Schicht 32 gelöst, die vor dem epitaktischen Wachstum durch eine flache Al-Implantation an der Grenzfläche zum n-Wafer hoch dotiert wurde. Dadurch wird ein abrupter beidseitig hoch dotierter pn-Übergang ausgebildet, der so beschaffen ist, dass es besonders in SiC auf Grund des großen Bandabstandes zu einem sog. „Band-to-Band"- und/oder „Trap-assisted"-Tunneln der Ladungsträger mit einer vernachlässigbaren Diffusionsspannung kommt.
Durch Einführung einer ebenfalls flachen n-Implantation mit maximaler Dosis in den n-Wafer 30 vor der p-Epitaxie kann die Bandverbiegung entsprechend den Dotiergradienten weiter vergrößert werden. Die bei der Implantation eingebrachte hohe Defektdichte verbessert durch sog. „Trap-assisted Tunneling" die Kontaktleitfähigkeit weiter mittels einer drastischen Erhöhung der Rekombinationsgeschwindigkeit von Elektronen und Löchern. Dabei wird Vorteilhafterweise ausgenutzt, dass in Siliciumcarbid (SiC) abrupte pn-Obergänge derart innerhalb eines Bereiches von 5 bis 20 nm möglich sind, da praktisch keine Diffusion während der nachfolgenden Prozessschritte erfolgt. Ein üblicher Ausheilschritt aktiviert elektrisch die implantierten Dotierstoffe im Kristallgitter, möglichst mit differenzierter Wirkung auf die Defekt-Niveaus.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist es also möglich, auf einem n⁺⁺-Substrat einen p-Emitter zu erzeugen. Damit können z.B. mit bekannten Prozessen, insbesondere durch Verwendung einer dicken n-Epi-Schicht mit hoher Trägerlebensdauer, verbesserte bipolare und hochsperrende Schalter mit der gewohnten Polarität aufgebaut werden. Die Verwendung des technisch i. Allg. mangelhaften SiC-p-Substrates wird dabei umgangen.
Vorteilhafterweise ist es entsprechend 4 möglich, im Hinblick auf die gewünschten Emittereigenschaften den p+-Emitter entsprechend z.B. mit Anoden-Kurzschlüssen zu strukturieren. Damit werden Nachteile beseitigt, die bei epitaktischen Bauelementen durch den vom Wafer gebildeten rückseitigen ganzflächigen, homogenen Emitter nicht umgangen werden können.

Claims

Halbleiteranordnung aus Siliciumcarbid oder ähnlichem Material mit hohem Bandabstand, mit einem n-Wafer (30) als Substrat, darauf befindlichen halbleitenden Schichten (31 bis 40) vorgegebener Dotierung, mit Kathode und Anode als erste und zweite Elektroden und wenigstens einem Tunnelkontakt (50) auf dem Substrat (30), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem n-Wafer (30) eine epitaktisch aufgewachsene p-Schicht (32, 42) vorhanden ist, welche mit dem n-Wafer (30) einen Tunnelkontakt (50) ausbildet.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein rückseitiger p-Emitter (32) gebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein n-Wafer (30) ist, wobei in den halbleitenden Schichten (32 bis 40), verglichen mit dem standardmäßigen Aufbau, eine Umkehrung der Dotierung erfolgt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode als erste Elektrode auf dem n-Wafer (30) ein ohmscher Kontakt (31) ist.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beidseitig hochdotierter pn-Übergang (30, 32, 33) gebildet ist, welcher den Tunnelkontakt (50) ausbildet.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere epitaktisch aufgewachsene p-Schichten vorhanden sind, die der Bildung eines Schaltelementes dienen.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement ein IGBT ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der IGBT einen „Source"-Kontakt (41) und einen „Drain"-Kontakt (31) hat.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung aus Siliciumcarbid oder ähnlichem Material mit hohem Bandabstand, mit einem n-Wafer (30) als Substrat, darauf befindlichen halbleitenden Schichten (31 bis 40) vorgegebener Dotierung, mit Kathode und Anode als erste und zweite Elektroden und wenigstens einem Tunnelkontakt (50) auf dem Substrat (30), dadurch gekennzeichnet, dass – eine epitaktische Beschichtung eines n-dotierten Wafers als Substrat mit einem p-dotierten Halbleitermaterial (p-Epitaxie) erfolgt, und – dabei zur Herstellung des Tunnelkontaktes vor der p-Epitaxie eine n-Implantation in den Wafer vorgenommen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochleitendes n-Substrat verwendet wird, auf dem eine p-dotierte, dünne Epitaxialschicht aufgebracht wird und dass anschließend eine solche p-Implantation erfolgt, die eine hohe p-Dotierung an der Grenzfläche: Substrat/p-Epitaxie-Schicht bewirkt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die p-Implantation vorzugsweise Aluminium(Al)-Ionen implantiert werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der p-dotierten, dünnen Epitaxialschicht eine oberflächennahe n-dotierende Implantation erfolgt und dass die Konzentration der n-Dotierung an der Oberfläche des Substrates erhöht wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die n-Implantation vorzugsweise Stickstoff(N)-Ionen implantiert werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der rückseitige p-dotierte Bereich strukturiert wird, um Anodenkurzschlüsse zu bilden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterbauelemente, vorzugsweise IGBT's, erzeugt werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Implantation in den Wafer vor der p-Epitaxie mit maximaler Dosis zwecks Bandverbiegung erfolgt, wobei die Bandverbiegung entsprechend dem Dotiergradienten vergrößert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die n-Implantation auf dem Wafer ein beidseitig hoher pn-Übergang gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der p⁺-Emitter mit Anoden-Kurzschlüssen strukturiert wird.