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HINTERGRUND
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Gleichrichtende Übergänge lassen
den Strom in einer Richtung durch, sperren jedoch in der anderen
Richtung. Beispiele für
gleichrichtende Übergänge sind
pn-Übergänge und
Schottky-Übergänge. Für hochfrequente
Anwendungen werden insbesondere Schottky-Dioden verwendet. Darüber hinaus
werden Schottky-Dioden
auch als Leistungshalbleitergleichrichter verwendet.
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Schottky-Dioden
können
als vertikale oder laterale Bauelemente ausgebildet sein. Bei Anwendung
als Leistungshalbleiter überwiegen
vertikale Bauelemente, die großflächige Schottky-Kontakte aufweisen.
Der Stromfluss erfolgt senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Halbleiterbauelements
und typischerweise von einer ersten Oberfläche zu einer gegenüberliegenden
zweiten Oberfläche
des Halbleitersubstrats.
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Schottky-Dioden
für Leistungsanwendungen sind
beispielsweise in
US
2004 0046224 A1 und im Fachartikel von Jon Mark Hancock,
Power Electronics Technology, Juni 2006, S. 28–35 beschrieben. Die darin
beschriebene Kombination aus pn-Dioden und Schottky-Dioden wird
auch als Junction Barrier Schottky-Diode oder "merged pn-Schottky diode" bezeichnet.
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Schotky-Dioden
mit Grabenstrukturen sind dagegen aus
US 5 262 668 A sowie
US 6 362 495 B1 bekannt.
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Um
die Barrierenhöhe
bei Schottky-Kontakten, die auf epiktaktisch abgeschiedenen Schichten erzeugt
werden, reproduzierbar einstellen zu können, wird in
DE 199 54 866 A1 bzw.
US 6 905 916 B2 vorgeschlagen,
den oberen Schichtbereich der epiktaktisch abgeschiedenen Schicht
zu entfernen und dann nasschemisch zu reinigen, bevor ein Metall
zur Bildung des Schottky-Kontakts auf die epitaktisch abgeschiedene
Schicht abgeschieden wird.
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Aus
WO 2006/061277 A1 ist
eine Schottky-Diode in Form einer Trench-Schottky-Barrier-Diode
(TSBS) mit zwei unterschiedlichen Schottky-Übergängen bekannt.
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Vor
diesem Hintergrund sind Halbleiterbauelemente mit gleichrichtenden Übergängen mit
verbesserten Eigenschaften gewünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 und das Verfahren nach
Anspruch 12.
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Gemäß Gegenstand
des Anspruchs 1 wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, wobei
das Halbleiterbauelement aufweist: einen Halbleiterkörper mit
einem ersten Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp; mindestens
einen ersten gleichrichtenden Übergang
zum ersten Halbleitergebiet; mindestens einen zweiten gleichrichtenden Übergang
zum ersten Halbleitergebiet; und mindestens einen dritten gleichrichtenden Übergang
zum ersten Halbleitergebiet; wobei die drei gleichrichtenden Übergänge jeweils eine
unterschiedlich hohe Barrierenhöhe
aufweisen, wobei der zweite gleichrichtende Übergang eine niedrigere Barrierenhöhe als der
erste gleichrichtende Übergang
aufweist, der erste gleichrichtende Übergang eine niedrigere Barrierenhöhe als der
dritte gleichrichtende Übergang
aufweist, und der zweite gleichrichtende Übergang zwischen erstem und
drittem gleichrichtenden Übergang
angeordnet ist.
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Durch
die mindestens drei gleichrichtenden Übergänge mit jeweils unterschiedlich
hoher Barrierenhöhe
lassen sich gezielt Eigenschaften des Halbleiterbauelements einstellen.
So kann beispielsweise das Temperaturverhalten des Halbleiterbauelements gezielt
gesteuert werden. Außerdem
ist es möglich, die
Sperreigenschaften weitgehend unabhängig von den Durchlasseigenschaften
einzustellen. Insbesondere kann durch geeignete Wahl der Barrierenhöhen der
Sperrstrom verringert werden, ohne gleichzeitig die Schwellspannung
zu erhöhen.
Außerdem
ist es möglich,
die gleichrichtenden Übergänge so anzuordnen,
dass gleichrichtende Übergänge mit
einer geringen Barrierenhöhe
im Bereich von geringen elektrischen Feldstärken und gleichrichtende Übergänge mit
hohen Barrierenhöhen
im Bereich von hohen elektrischen Feldstärken angeordnet sind. Dadurch
lässt sich
der Einfluss der unterschiedlichen Feldstärken auf den Sperrstrom durch
Verwendung unterschiedlicher gleichrichtender Übergänge weitgehend ausgleichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von in den anhängenden
Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen
beschrieben, aus denen sich weitere Vorteile und Modifikationen
ergeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es
liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen
eines Ausführungsbeispiels
mit Merkmalen und Merkmalskombinationen eines anderen Ausführungsbeispiels
im Sinne der Ansprüche
geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
zu gelangen.
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1 zeigt
am Beispiel einer vertikalen Diode ein Halbleiterbauelement mit
drei gleichrichtenden Übergängen mit
jeweils unterschiedlich hoher Barrierenhöhe, wobei die unterschiedlichen
gleichrichtenden Übergänge durch
mindestens einen pn-Übergang
und zwei unterschiedliche Schottky-Kontakte realisiert werden.
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2 zeigt
ein Halbleiterbauelement mit einer Vielzahl von gleichrichtenden Übergängen, wobei zwischen
benachbarten pn-Übergängen jeweils
eine Schottky-Diode mit mindestens zwei Schottky-Kontakten angeordnet
ist.
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3 zeigt
die elektrische Feldverteilung im Sperrfall des in 1 gezeigten
Halbleiterbauelements.
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4 zeigt
den elektrischen Feldverlauf an der Halbleiteroberfläche der
in 1 gezeigten Struktur sowie entsprechend des Feldverlaufs
angeordnete Schottky-Kontakte mit unterschiedlich hoher Barrierenhöhe.
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5A bis 5I zeigen
einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
mit drei gleichrichtenden Übergängen mit
jeweils unterschiedlich hoher Barrierenhöhe.
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6A bis 6C zeigen
Verfahrensschritte eines weiteren Herstellungsverfahrens zur Herstellung
eines Halbleiterbauelements mit drei gleichrichtenden Übergängen mit
jeweils unterschiedlich hoher Barrierenhöhe.
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7 zeigt
einen Teilausschnitt einer Diode für Leistungsanwendungen, welche
pn-Übergänge und
zwischen den pn-Übergängen angeordnete Schottky-Dioden
aufweist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend
sollen einige Ausführungsbeispiele
erläutert
werden. Dabei sind gleiche strukturelle Merkmale in den Figuren
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem gleichrichtenden Übergang
ein Übergang
mit ausgeprägter
Diodencharakteristik verstanden. Gleichrichtende Übergänge weisen
demnach eine Sperrrichtung und eine zu dieser entgegengesetzte Durchlassrichtung
auf, wobei sich die jeweilige Richtung auf die Polarität eines über den
gleichrichtenden Übergang
angelegten elektrischen Feldes bezieht. Beispiele von gleichrichtenden Übergängen sind
pn-Übergänge sowie
Schottky-Übergänge.
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Im
Rahmen der Erfindung soll unter einer Schottky-Diode eine Anordnung
verstanden werden, die zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlich
hoher Schottky-Barriere (Barrierenhöhe) aufweist. Diese Bereiche
werden auch als Schottky-Kontakt bezeichnet. Demnach weist eine
Schottky-Diode zumindest zwei Schottky-Kontakte mit unterschiedlich hoher
Barrierenhöhe
auf. Ein Schottky-Kontakt ist dabei der Kontaktbereich zwischen
einem zur Ausbildung eines Schottky-Übergangs geeigneten Kontaktmaterial
und einem Halbleitermaterial. In diesem Kontaktbereich weist der
Schottky-Kontakt eine vorgegebene, im wesentliche konstante Barrierenhöhe auf.
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Der
Begriff "lateral" bezieht sich auf
die laterale Erstreckung eines Halbleitermaterials bzw. eines Halbleitergrundmaterials.
Typischerweise liegen diese als dünne Wafer bzw. Chips vor. Der
Begriff "vertikal" bezieht sich dagegen
auf die zur lateralen Erstreckung senkrechte Richtung, die in Dickenrichtung des
Wafers bzw. des Chips verläuft.
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Die
in den Ausführungsbeispielen
verwendeten Dotierungen sind lediglich beispielhaft und können auch
entsprechend komplementär
dotiert sein.
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Um
die Schwellspannung bei Halbleiterbauelementen mit gleichrichtenden Übergängen und
insbesondere bei Dioden mit Schottky-Kontakt zu verringern, weist
das in 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
gezeigte Halbleiterbauelement 10 eine Schottky-Diode 4 auf,
die mindestens zwei Schottky-Kontakte 1 und 2 mit
jeweils unterschiedlich hoher Barrierenhöhe aufweist. Die Schottky-Kontakte 1 und 2 sind
zwischen einer Schicht 20, die auf einer ersten Oberfläche 23 eines
Halbleitersubstrats 24 angeordnet ist, und einem im Halbleitersubstrat 24 angeordneten
ersten Halbleitergebiets 11 vom ersten Leitungstyp ausgebildet.
Im Halbleitersubstrat 24 sind weiter hin zwei lateral zueinander
beabstandete zweite Halbleitergebiete 12 vom zum ersten
Leitungstyp komplementären
zweiten Leitungstyp angeordnet, welche die Schottky-Diode 4 lateral
begrenzen. Die zueinander lateral beabstandeten zweiten Halbleitergebiete 12 sind
in das Halbleitersubstrat 24 eingebettet und bilden mit
dem Halbleitersubstrat 24, welches hier gleichzeitig das
erste Halbleitergebiet 11 darstellt, jeweils einen pn-Übergang 3 aus.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Halbleitersubstrat 24 n-dotiert, dagegen sind die
zweiten Halbleitergebiete 12 p-dotiert. Bei dem Halbleitersubstrat 24 kann
es sich um eine epitaktisch hergestellte Schicht handeln.
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Die
Schottky-Diode 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
einen ersten Schottky-Kontakt 1 und zwei zweite Schottky-Kontakte 2 auf.
Der erste Schottky-Kontakt 1 ist jeweils von den zweiten
Halbleitergebieten 12 und damit von den pn-Übergängen 3 lateral beabstandet.
Dabei ist der erste Schottky-Kontakt 1 insbesondere so
angeordnet, dass er zu den beiden zweiten Halbleitergebieten 12 jeweils
einen gleich großen
lateralen Abstand aufweist. Zwischen dem ersten Schottky-Kontakt 1 und
jeweils einem zweiten Halbleitergebiet 12 ist jeweils ein
zweiter Schottky-Kontakt 2 angeordnet. Die zweiten Schottky-Kontakte 2 haben
jeweils eine laterale Ausdehnung, die etwa dem lateralen Abstand
zwischen dem ersten Schottky-Kontakt 1 und den zweiten Halbleitergebieten 12 bzw.
den pn-Übergängen 3 entspricht.
Die zweiten Halbleitergebiete 12, der erste Schottky-Kontakt 1 sowie
die beiden zweiten Schottky-Kontakte 2 sind insbesondere
spiegelsymmetrisch zu einer senkrecht zur ersten Oberfläche 23 verlaufenden
Symmetrieebene 29 angeordnet, welche mittig durch den ersten
Schottky-Kontakt 1 verläuft.
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Die
laterale Ausdehnung von Schottky-Diode 4 sowie von erstem
und zweitem Schottky-Kontakt ist in 1 durch
Pfeile angedeutet.
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Der
erste Schottky-Kontakt bildet im vorliegenden Ausführungsbeispiel
den ersten gleichrichtenden Übergang.
Dagegen bildet jeweils ein zweiter Schottky-Kontakt 2 einen
zweiten gleichrichtenden Übergang.
Die pn-Übergänge 3 bilden
jeweilige dritte gleichrichtende Übergänge. Die Barrierenhöhe der einzelnen
gleichrichtenden Übergänge lässt sich
beispielsweise durch geeignete Materialwahl einstellen. Da die drei
unterschiedlichen gleichrichtenden Übergänge 1, 2 und 3 jeweils
einen Übergang
zum Halbleitersubstrat 24 bzw. zum ersten Halbleitergebiet 11 bilden,
wird die Barrierenhöhe
durch die Art des Materials bestimmt, welche durch Kontakt mit dem
ersten Halbleitergebiet 11 den jeweiligen Übergang
ausbildet. Im Fall der dritten gleichrichtenden Übergänge 3 (pn-Übergänge) wird
die Barrierenhöhe
des pn-Übergangs
typischerweise vom Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials
bestimmt. Typischerweise wird für
das erste und zweite Halbleitergebiet 11, 12 bzw.
das Halbleitersubstrat 24 das gleiche Halbleitermaterial
verwendet. Das Halbleitermaterial kann beispielsweise Siliziumkarbid
(SiC) sein. Dagegen wird die Barrierenhöhe der ersten und zweiten gleichrichtenden Übergänge 1 und 2,
die hier vom ersten Schottky-Kontakt 1 und zweiten Schottky-Kontakt 2 gebildet
werden, von der Differenz der Austrittsarbeiten des jeweils verwendeten
Kontaktmaterials und des für
das erste Halbleitergebiet 11 verwendeten Halbleitermaterials
bestimmt. Dabei ist die Barrierenhöhe der Schottky-Kontakte 1 und 2 zum
ersten Halbleitergebiet 11 in der Regel immer geringer
als die Barrierenhöhe
des pn-Übergangs 3.
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Zur
Ausbildung des ersten und zweiten Schottky-Kontakts 1 und 2 können beispielsweise unterschiedliche
Materialien verwendet werden, die in direktem Kontakt zur ersten
Oberfläche 23 des Halbleitersubstrats 24 und
insbesondere in Kontakt mit einer freiliegenden Oberfläche des
ersten Halbleitergebiets 11 stehen. Dabei werden die Materialien so
ausgewählt,
dass der erste Schottky-Kontakt 1 eine höhere Barrierenhöhe als die
zweiten Schottky-Kontakte 2 aufweist. Zur Ausbildung der
jeweiligen Schottky-Kontakte 1 und 2 können grundsätzlich alle
Materialien verwendet werden, die zur Ausbildung eines Schottky-Übergangs geeignet sind. Beispielsweise
eignet sich eine Vielzahl von Metallen zur Ausbildung von Schottky-Übergängen, wobei
die Metalle dann in direktem Kontakt mit dem Halbleitergebiet 11 treten.
In diesem Fall liegen dann Metall-Halbleiterübergänge vor. Beispielsweise wird
der erste Schottky-Kontakt 1 durch Verwendung eines ersten Metalls
(Metal 1) als Kontaktmaterial ausgebildet, während der zweite Schottky-Kontakt durch Verwendung
eines zweiten Metalls (Metal 2) als Kontaktmaterial ausgebildet
wird.
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Schottky-Übergänge vom
Metall-Halbleitertyp können
auch durch Verwendung von sehr hoch dotiertem Halbleitermaterial
als Kontaktmaterial ausgebildet werden, wobei das Kontaktmaterial
dann aus dem gleichen Halbleitergrundmaterial wie das erste Halbleitergebiet 11 besteht.
In diesem Fall liegt ein homogener Halbleiterübergang vor, wobei sich „homogener" Übergang auf das Halbleitergrundmaterial
bezieht. Ein solcher Übergang
stellt jedoch keinen pn-Übergang
dar, da das sehr hoch dotierte Halbleitermaterial nahezu metallische
Eigenschaften aufweist. Solche metallisch leitenden Halbleitergebiete
weisen in der Regel eine äußerst hohe
Störstellenkonzentration
auf, die größer gleich
1·1020 pro cm3 ist. Dagegen
weisen Halbleitergebiete, welche echte pn-Übergänge bilden, Störstellenkonzentration
kleiner 1·1020 pro cm3 auf.
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Wird
der erste Schottky-Kontakt 1 zwischen der beispielsweise
in 1 gezeigten Schicht 21 und dem ersten
Halbleitergebiet 11 gebildet, so weist die Schicht 21 für den Fall,
dass es sich hier um ein Halbeitermaterial vom gleichen Grundtyp
wie für
das erste Halbleitergebiet 11 handelt, eine deutlich höhere Störstellenkonzentration
als das erste Halbleitergebiet 11 und zweite Halbeitergebiet 12 auf.
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Ein
zu Schottky-Kontakten vergleichbares Verhalten kann jedoch auch
durch sogenannte Heteroübergänge erreicht
werden, d. h. Übergänge zwischen
Halbleitermaterialien von unterschiedlichen Grundtypen. In diesem
Fall besteht dann die Schicht 21 aus einem anderen Halbleitermaterial
als das Halbleitersubstrat 24 bzw. das erste Halbleitergebiet 11.
Ein solcher Heteroübergang
kann durch epitaktische Abscheidung des anderen Halbleitermaterials auf
die freiliegende Oberfläche
des ersten Halbleitergebiets 11 hergestellt werden. Sofern
die Schicht 21 monokristallin ist (beispielsweise bei epitaktischer Abscheidung)
wird auch von einem echten Heteroübergang gesprochen. Dagegen
werden unechte Heteroübergänge zwischen
einem monokristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise dem ersten
Halbleitergebiet 11, und einem anderen polykristallinen Halbleitermaterial
(beispielsweise Schicht 21, wenn sie nicht epitaktisch
abgeschieden wurde) gebildet. Wenn das Halbleitersubstrat 24 bzw.
das erste Halbleitergebiet 11 aus beispielsweise SiC besteht,
kann für
unechte Heteroübergänge beispielsweise
sowohl n- als auch p-dotiertes Polysilizium verwendet werden.
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Die
Barrierenhöhe
eines Schottky-Übergangs
bzw. Schottky-Koqntakts
hängt jedoch
nicht nur von der Differenz der Austrittsarbeiten zwischen Halbleitermaterial
und dem zur Ausbildung eines Schottky-Übergangs verwendeten Kontaktmaterials ab,
sondern auch von der Qualität
der Grenzfläche zwischen
den beiden Materialien. Dabei können Grenzflächenzustände die
Bar rierenhöhe
zum Teil erheblich verschieben. Es ist daher auch möglich, Schottky-Kontakte
mit unterschiedlich hohen Barrierenhöhen durch gezielte Modifikation
der Oberfläche des
Halbleitermaterials herzustellen. Es kann dann sogar das gleiche
Material für
beide Schottky-Kontakte verwendet werden. Lediglich die Oberfläche im Bereich
der zu bildenden unterschiedlichen Schottky-Kontakte wird jeweils
unterschiedlich modifiziert.
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Eine
Möglichkeit,
die Oberfläche
des Halbleitersubstrats bzw. des ersten Halbleitergebiets geeignet
zu modifizieren, besteht darin, die Oberfläche des ersten Halbleitergebiets
im Bereich wenigstens eines der beiden Schottky-Kontakte oberflächig zu
oxydieren und diese Oxydschicht dann wieder nasschemisch zu entfernen,
bevor das Kontaktmaterial abgeschieden wird. Eine andere Möglichkeit
der Oberflächenmodifizierung
ist eine selektive Plasmabehandlung des zu modifizierenden Oberflächenbereichs.
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Durch
die Verwendung von zwei Schottky-Kontakten mit jeweils unterschiedlich
hoher Barrierenhöhe
kann die Schwellspannung der Schottky-Diode erniedrigt werden, ohne
dass dies zu einer Erhöhung
des Sperrstroms führt.
Der physikalische Hintergrund lässt
sich dabei, ohne sich einschränken zu
wollen, wie folgt verstehen.
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Sowohl
die Schwellspannung in Durchlassrichtung als auch die Höhe des Sperrstroms
in Sperrrichtung sind von der Barrierenhöhe des Schottky-Kontakts abhängig. Um
die Schwellspannung möglichst
niedrig zu halten, ist eine möglichst
geringe Barrierenhöhe
gewünscht.
Eine geringe Barrierenhöhe
führt jedoch
gleichzeitig zu einer geringeren Sperrwirkung, so dass damit der
Sperrstrom zunimmt, da der Sperrstrom exponentiell mit abnehmender
Barrierenhöhe,
steigt. Weiterhin hängt
der Sperrstrom einer Schottky-Diode exponentiell von der elektrischen
Feldstärke
im Bereich der Schottky-Kontakte ab. Die elektrische Feldstärke in diesem Bereich
ist insbesondere in dessen Randbereichen nicht homogen. Dadurch
lässt sich
dieser Bereich in Teilbereiche mit unterschiedlich hoher Feldstärke aufteilen.
Sofern nun in einem Teilbereich hoher elektrischer Feldstärken ein
Schottky-Kontakt mit einer vergleichsweise hohen Barrierenhöhe ausgebildet wird,
wird in diesem Teilbereich der Sperrstrom im Vergleich zu dem Fall,
dass der Schottky-Kontakt dort eine geringe Barrierenhöhe aufweist,
reduziert, denn die hohe Barrierenhöhe führt dort zu einer Verringerung
des Sperrstroms. In den Teilbereichen, in denen dagegen die elektrische
Feldstärke
nicht so hoch ist, wird ein Schottky-Kontakt dagegen mit einer geringeren
Barrierenhöhe
ausgebildet werden. Somit wird in Bereichen hoher Feldstärken, in
denen typischerweise der Sperrstrom am höchsten ist, der Sperrstrom
durch die vergleichsweise hohe Barrierenhöhe reduziert. Der Sperrstrom
weist damit räumlich
gesehen eine homogenere Verteilung und absolut eine geringere Stärke auf.
Der Sperrstrom lässt sich
damit insgesamt reduzieren.
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In
Durchlassrichtung führt
der Schottky-Kontakt mit der hohen Barrierenhöhe allerdings zu einer hohen
Schwellspannung. Dies wird jedoch durch den Schottky-Kontakt mit
einer geringeren Barrierenhöhe kompensiert.
Der oder die Schottky-Kontakte mit der geringen Barrierenhöhe weist/weisen
nur eine geringe Schwellspannung auf, so dass in Durchlassrichtung
diese Kontakte selbst bei kleinen Durchlassspannungen bereits zum
Stromfluss beitragen. Der Stromfluss erfolgt dann bei geringen Spannungen
in Durchlassrichtung zunächst über die
Kontakte mit der geringen Barrierenhöhe und setzt bei zunehmender
Durchlassspannung auch in den Kontakten mit hoher Barrierenhöhe ein.
Insgesamt lässt
sich dadurch die Schwellspannung verringern und so die Verlustleistung
minimieren.
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Somit
wird die Schottky-Diode so ausgebildet, dass, bezogen auf den räumlichen
Verlauf der elektrische Feldstärke
im Sperrfall, Schottky-Kontakte (erster gleichrichtender Übergang)
mit einer hohen Barrierenhöhe
im Bereich hoher elektrischer Feldstärken und Schottky-Kontakte
(zweiter gleichrichtender Übergang)
mit einer dazu geringeren Barrierenhöhe im Bereich niedriger elektrischer
Feldstärken
angeordnet werden. Zur Unterscheidung zwischen hoher und niedriger
elektrischer Feldstärke kann
ein Schwellwert definiert werden, der beispielsweise einem vorgegebenen
Prozentsatz der an der Schottky-Diode anliegenden elektrischen Maximalfeldstärke entspricht.
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Zur
besseren Verdeutlichung des Verlaufs der Feldstärke sowie der räumlichen
Anordnung der einzelnen Schottky-Kontakte wird auf 3 und 4 verwiesen.
In 3 ist die elektrische Feldstärkeverteilung im Halbleitersubstrat 24 im
Sperrfall gezeigt. Im mittleren Bereich ist die Schottky-Diode 4 erkennbar,
die von zwei pn-Übergängen 3 begrenzt wird.
Eine beispielhafte Ausdehnung der pn-Übergänge bzw. der zweiten Halbleitergebiete 12 ist
in 3 angegeben. Das zweite Halbleitergebiet links in 3 hat
dabei die Funktion einer Zündinsel,
während
das in 3 gezeigte zweite Halbleitergebiet 12 die
Funktion einer Abschirmung übernimmt.
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In 4 ist
die in 1 gezeigte Struktur einer Misch-Diode aus Schottky-Diode
und pn-Übergang
sowie der Verlauf der elektrischen Feldstärke im Sperrfall an der Oberfläche 23 des
ersten Halbleitergebiets entlang einer Verbindungslinie, welche
die beiden zweiten Halbleitergebiete 12 miteinander verbindet,
dargestellt. Wie erkennbar, steigt die elektrische Feldstärke an der
Oberfläche
des ersten Halbleitergebiets 11 ausgehend von einander
gegenüberliegenden
Randbereichen der zweiten Halbleitergebiete 12 stark an.
Bereits nach vergleichsweise kurzer Entfernung vom Randbereich der
zweiten Halbleitergebiete 12 erreicht die elektrische Feldstärke mehr
als 60% der maximalen elektrischen Feldstärke, die im Zentralbereich
der Schottky-Diode 4 vorliegt. Die besondere Struktur dieses
Feldstärkeverlaufs
wird durch die zweiten Halbleitergebiete 12 hervorgerufen,
welche das elektrische Feld aus den Randbereichen der Schottky-Diode
verdrängen.
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Der
erste Schottky-Kontakt 1 mit einer hohen Barrierenhöhe wird
nun so ausgebildet, dass er in Bereichen angeordnet ist, in denen
die elektrische Feldstärke
höher als
ein vorgewählter
Schwellwert, beispielsweise mindestens 60% der Maximalfeldstärke, beträgt. Im vorliegenden
Bereich ist dies der Zentralbereich der Schottky-Diode 4.
Aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit
des Sperrstroms von der elektrischen Feldstärke wird der Schottky-Kontakt 1 beispielsweise
so angeordnet, dass er von den jeweils gegenüberliegenden Rändern der
zweiten Halbleitergebiete 12 jeweils den gleichen Abstand aufweist.
Dieser Abstand ist in 4 mit d2 bezeichnet. Die laterale
Ausdehnung der Schottky-Diode 4 zwischen den beiden zweiten
Halbleitergebieten 12 ist dagegen mit d1 bezeichnet. Im
vorliegenden Fall entspricht die laterale Ausdehnung d1 der Schottky-Diode 4 auch
dem lateralen Abstand benachbarter zweiter Halbleitergebiete 12,
wobei sich deren Abstand auf einander gegenüberliegende Außenkanten benachbarter
zweiter Halbleitergebiete 12 bezieht. Im Zwischenbereich
zwischen erstem Schottky-Kontakt 1 und den zweiten Halbleitergebieten 12 ist
dagegen der zweite Schottky-Kontakt 2 mit einer im Vergleich
zum ersten Schottky-Kontakt 1 geringeren Barrierenhöhe ausgebildet.
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In 4 ist
mit Kurve 30 der typischerweise auftretende Verlauf der
Feldstärke
und mit Kurve 31 der Verlauf der Feldstär ke kurz vor Durchbruch (worst
case) dargestellt. Die in 4 beispielhaft
angedeutete Relation zwischen der Ausdehnung der zweiten Schottky-Kontakte 2 bzw.
dem Abstand d2 des ersten Schottky-Kontakt 1 von den zweiten
Halbleitergebieten 12 und der relativen elektrischen Feldstärke kann
anwendungsabhängig
geeignet modifiziert werden. Insbesondere ist es möglich, weitere Schottky-Kontakte
vorzusehen. So kann beispielsweise ein dritter Schottky-Kontakt
symmetrisch zu den zweiten Halbleitergebieten 12 im Zentralbereich der
Schottky-Diode 4 vorgesehen werden, wobei der dritte Schottky-Kontakt
dann im Vergleich zum ersten Schottky-Kontakt 1 eine noch
höhere
Barrierenhöhe aufweist.
Der dritte Schottky-Kontakt kann dann beispielsweise in den Bereichen
angeordnet sein, in denen die elektrische Feldstärke im Sperrfall mindestens
80% der Maximalfeldstärke
beträgt.
Der erste Schottky-Kontakt würde
dann die Bereiche oberhalb von 60% der Maximalfeldstärke bis
ca. 80% der Maximalfeldstärke
einnehmen. Es ist auch möglich, mehr
als drei Schottky-Kontakte mit unterschiedlicher Barrierenhöhe zu verwenden.
Dadurch können die
unterschiedlichen Schottky-Kontakte der Schottky-Diode in kleineren
Stufen und damit noch besser an den Verlauf der elektrischen Feldstärke angepasst werden.
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Wie
aus der Abszisse in 4 erkennbar, hat die Schottky-Diode 4 eine
laterale Ausdehnung von beispielsweise etwa 2–3 μm. Die zweiten Halbleitergebiete 12 haben
ebenfalls eine Ausdehnung von einigen μm. Wird diese Struktur zugrunde
gelegt und als Halbleitergrundmaterial für das Halbleitersubstrat 24 und
die ersten und zweiten Halbleitergebiete 11 und 12 SiC
verwendet, so ist es beispielsweise geeignet, zur Ausbildung des
ersten Schottky-Kontakts als Metal 1 Titan mit einer Barrierenhöhe von etwa 1,3
eV und fur die Ausbildung der zweiten Schottky-Kontakte 2 als
Metal 2 Aluminium mit einer Barrierenhöhe von etwa 1 eV zu verwenden.
Bei Verwendung dieser Materi alien und den sich daraus ergebenden
Barrierenhöhen
sollten die zweiten Schottky-Kontakte 2 eine solche laterale
Ausdehnung d2 aufweisen, dass das maximale elektrische Feld an den
zweiten Schottky-Kontakten etwa 60% der maximalen Feldstärke der
Schottky-Diode 4 bei einer Barrierenhöhe von 1,3 eV beträgt. In diesem
Fall ist der Sperrstrom durch den ersten Schottky-Kontakt 1 in etwa
genauso groß wie
der durch die zweiten Schottky-Kontakte 2 fließende Sperrstrom.
Konkret bedeutet dies für
dieses Ausführungsbeispiel,
dass die Kontaktbreite des Aluminiums auf dem ersten Halbleitergebiet 11,
bei dem es sich hier um ein n-leitendes Gebiet handelt, etwa 0,3 μm beträgt. Damit
sind etwa 20% der Kontaktfläche
der Schottky-Diode 4 mit Aluminium versehen. Der erste
Schottky-Kontakt 1 weist damit im Vergleich zu den zweiten
Schottky-Kontakten eine größere Kontaktfläche zum
ersten Halbleitergebiet 11 auf.
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In
Flussrichtung wird unter normalen Betriebsbedingungen die Schwellspannung
von Metall 1, d. h. im vorliegenden Fall von Titan, nicht überschritten.
In diesem Fall ist der erste Schottky-Kontakt 1 auch in
Flussrichtung, d. h. in Durchlassrichtung, gesperrt. Allerdings
kann durch Erhöhung
der Spannung in Durchlassrichtung auch der erste Schottky-Kontakt 1 zum
elektrischen Stromfluss beitragen. Darüber hinaus kann es bei hohen
Stromdichten vorkommen, dass auf der halben Breite von Metall 1
die Schwellspannungsdifferenz der beiden Metalle abfällt und
somit auch Metall 1 zum Stromfluss beiträgt. Die dazu nötige Stromdichte
unterhalb von Metall 1 ist beispielsweise für die 600 Volt Spannungsklasse
mit einer typischen Dotierung von 1,17·1016 pro
cm3 etwa 5000 A/cm2.
Da bei Leistungshalbleitern in der Regel mehrere Schottky-Dioden
in Form von. Zellen parallel geschaltet sind, ist die erforderliche
Stromdichte umgerechnet auf die gesamte Chipfläche je nach Zellgeometrie dagegen
wesentlich niedriger.
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Wird
anstelle von unterschiedlichen Kontaktmaterialien zur Ausbildung
der mindestens zwei Schottky-Kontakte lediglich ein gemeinsames
Kontaktmaterial gewählt
und die unterschiedlichen Barrierenhöhen durch selektive Oberflächenmodifikation des
Halbleitersubstrats eingestellt, kann die räumliche Aufteilung der einzelnen
Bereiche wie bei Verwendung von unterschiedlichen Kontaktmaterialien erfolgen.
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Die
drei gleichrichtenden Übergänge, d.
h. die zwei Schottky-Kontakte 1 und 2 sowie
der pn-Übergang 3,
sind beispielsweise parallel zueinander geschaltet. Dies lässt sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass die zur Ausbildung der ersten und
zweiten Schottky-Kontakte 1 und 2 verwendeten Materialien
elektrisch leitend mit dem zweiten Halbleitergebiet 12 bzw.
den zweiten Halbleitergebieten 12 verbunden sind. Werden
beispielsweise unterschiedliche Metalle (Metal 1 für den ersten
Schottky-Kontakt; Metal 2 für
den zweiten Schottky-Kontakt) für
die Ausbildung des ersten und zweiten Schottky-Kontakts 1 und 2 verwendet,
steht beispielsweise Metall 2 in direktem Kontakt einerseits mit
dem zweiten Halbleitergebiet 12 und andererseits mit Metal
1.
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Typischerweise
sind die gleichrichtenden Übergänge benachbart
zueinander angeordnet. Dabei grenzt der erste gleichrichtende Übergang 1 unmittelbar
an den zweiten gleichrichtenden Übergang 2 und
der dritte gleichrichtende Übergang 3 unmittelbar
an den zweiten gleichrichtenden Übergang 2 an. Allerdings
ist der erste gleichrichtende Übergang 1 vom
dritten gleichrichtenden Übergang 3 beabstandet,
wobei der zweite gleichrichtende Übergang 2 zwischen
den beiden anderen gleichrichtenden Übergängen angeordnet ist. Der zweite
gleichrichtende Übergang 2 wird
somit lateral von den beiden anderen gleichrichtenden Übergängen begrenzt.
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Beispielsweise
hat das Halbleiterbauelement wenigstens zwei zweite gleichrichtende Übergänge, die
jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten des ersten gleichrichtenden Übergangs angeordnet sind. Weiterhin
weist das Halbleiterbauelement beispielsweise wenigstens zwei dritte
gleichrichtende Übergänge auf,
zwischen denen der erste und die zwei zweiten gleichrichtenden Übergänge angeordnet sind,
wobei die zweiten gleichrichtenden Übergängen zwischen den dritten und
dem ersten gleichrichtenden Übergang
angeordnet und an diese jeweils angrenzen. Diese Anordnung ist insbesondere
symmetrisch ausgestaltet. Ein solches Halbleiterbauelement zeigt
beispielsweise 4.
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Der
Vorteil der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt insbesondere
in der geeigneten geometrischen Anordnung der gleichrichtenden Übergänge, d.
h. insbesondere von erstem und zweiten gleichrichtenden Übergang
(erster und zweiter Schottky-Kontakt), in Bezug auf den elektrischen Feldstärkeverlauf,
wobei der erste gleichrichtende Übergang
im Bereich hoher und der zweite gleichrichtende Übergang im Bereich geringer
elektrischer Feldstärken
angeordnet ist.
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Bei
Leistungshalbleitern wird eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten
Schottky-Dioden verwendet. Zwischen benachbarten Schottky-Dioden sitzt
dann jeweils ein pn-Übergang.
Ein Ausschnitt eines solchen Leistungshalbleiter-Bauelements ist
in 2 dargestellt. Die Schottky-Dioden 4 weisen
in ihrem mittleren Bereich jeweils einen ersten Schottky-Kontakt 1 und
im Randbereich zu benachbarten pn-Übergängen 3 jeweils einen
zweiten Schottky-Kontakt 2 auf. Die Ausbildung der ersten
und zweiten Schottky-Übergänge 1 und 2 entspricht
in etwa der in 1 gezeigten räumlichen
Anordnung. Die räumliche
Anordnung ist dabei anhand eines vertikalen Schnitts durch das betreffende
Halbleiterbauelement gezeigt. Bei Leistungshalbleitern bilden die einzelnen
Schottky-Dioden 4 jeweils eine einzelne Zelle. Eine solche
Zelle kann dabei bei Draufsicht auf die erste Oberfläche 23 des
Halbleitersubstrats 24 beispielsweise kreisförmig oder
hexagonal sein. Bei solchen Anordnungen ist es daher auch möglich, dass
der Zentralbereich der Schottky-Diode 4 vom ersten
Schottky-Kontakt 1 gebildet wird, der vollständig kreisförmig vom
zweiten Schottky-Kontakt 2 umgeben ist.
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Zur
Bildung des ersten Schottky-Kontakts wird beispielsweise ein erstes
Metall 1 (Schicht 21) beispielsweise selbstjustiert zu
den Rändern
der zweiten Halbleitergebiete 12 auf die erste Oberfläche 23 des
Halbleitersubstrats 24 aufgebracht. Danach wird ganzflächig ein
Metall 2 (Schicht 22) abgeschieden, welches in Randbereichen
zwischen dem Metall 1 und den zweiten Halbleitergebieten 12 die
zweiten Schottky-Kontakte 2 bildet. Gleichzeitig stellt
das Metall 2 die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metall
1 und den zweiten Halbleitergebieten 12 dar.
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Das
Halbleitersubstrat 24 umfasst typischerweise eine epitaktisch
hergestellte Schicht, die gleichzeitig das erste Halbleitergebiet 11 bildet.
Das Halbleitersubstrat 24 umfasst weiterhin ein Halbleitergrundsubstrat 26 und
kann weiterhin eine Feldstopperschicht 25 aufweisen, die
zwischen dem Halbleitergrundsubstrat 26 und der epitaktischen Schicht 11 angeordnet
ist. Auf einer zweiten Oberfläche 27 des
Halbleitersubstrats 24, die gegenüber der ersten Oberfläche 23 angeordnet
ist, sitzt eine großflächige Rückseitenmetallisierung 28 zum
rückseitigen
Kontaktieren des Halbleitersubstrats 24. Eine derartige
Struktur zeigt 2.
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7 zeigt
eine merged pn-Schottky-Leistungsdiode mit einer Vielzahl von einzelnen
Schottky-Dioden 4, zwischen denen je weils pn-Übergänge 3 angeordnet
sind. Die vollständige
Struktur der Leistungsdiode kann durch Spiegelung der in 7 dargestellten
Struktur an der linken vertikalen Kante erreicht werden. Zusätzlich ist
in 7 noch ein Randabschluss 35 sowie eine
Randisolation 36 gezeigt. Auf dem ebenfalls hier verwendeten
Metall 2 (Schicht 22) kann noch eine zum Bonden geeignete Kontaktschicht 37 sitzen,
auf welche ein Bondkontakt 38 aufgebracht ist.
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Die
Kombination von drei gleichrichtenden Übergängen hat neben dem bereits
oben erwähnten Vorteil
der Reduzierung der Schwellspannung ohne gleichzeitigen nennenswerten
Anstieg des Sperrstroms den weiteren Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit
des Halbleiterbauelements reduziert werden kann. Schottky-Dioden
weisen bei hohen Stromdichten in der Regel einen positiven Temperaturkoeffizienten
auf, d. h. mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand der Diode
zu. Dagegen haben pn-Übergänge eine
negative Temperaturabhängigkeit,
d. h. deren Widerstand sinkt mit zunehmender Temperatur. Durch Kombination
und Integration dieser Bauelemente kann ein ausgewogenes Temperaturverhalten
erreicht werden.
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Im
Folgenden soll die Herstellung des Halbleiterbauelements mit Bezug
auf 5A bis 5I erläutert werden.
Zunächst
wird ein Halbleitersubstrat 24 bereitgestellt. Dabei kann
es sich um eine n-dotierte, epitaktisch auf ein Halbleitergrundsubstrat 26 (in 2 gezeigt)
abgeschiedene Schicht 24 handeln. Das Halbleitersubstrat 24 bildet
nachfolgend das erste Halbleitergebiet 11. Auf eine erste
Oberfläche 23 des
Halbleitersubstrats 24 wird dann eine Maskenschicht aus
beispielsweise einem Oxid (z. B. Siliziumoxid) abgeschieden und
unter Zuhilfenahme einer Fotomaske 40 geeignet strukturiert.
Dabei kann beispielsweise ein RIE (Reactive Ion Etching)-Trockenätzschritt 42 eingesetzt
werden. Die aus der Masken schickt hergestellte Maske 41,
im vorliegenden Fall eine Hartmaske aus Siliziumoxid, ist in 5A gezeigt.
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Anschließend werden
Dotierstoffe zur Bildung von zweiten Halbleitergebieten 12 in
das Halbleitersubstrat 24 eingebracht. Dies kann beispielsweise
durch Implantation 43 mit anschließender thermischer Behandlung
zur Aktivierung der Dotierstoffe und zur Ausheilung von Implantationsschäden erfolgen.
Die Fotomaske 40 kann vor oder nach der Implantation entfernt
werden. Die laterale Ausdehnung der Maske 41 bestimmt hier
den Abstand d1 benachbarter zweiter Halbleitergebiete 12.
Die so erhaltene Struktur zeigt 5B.
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Nach
der Implantation wird, wie in 5C gezeigt,
die Maske 41 isotrop zurückgeätzt. Dies kann beispielsweise
nasschemisch erfolgen. Dadurch entsteht eine zurückgeätzte Maske 41a. Durch die
Rückätzung haben
die Außenkanten
der zurückgeätzten Maske 41a nun
einen gewissen Abstand von den Außenkanten der zweiten Halbleitergebiete 12.
Auf die zurückgeätzte Maske 41a wird,
wie in 5C dargestellt, eine dünne Hilfsschicht 44 konform
aus dem gleichen Material wie die zurückgeätzte Maske 41a abgeschieden.
Im vorliegenden Fall ist dies Siliziumoxid. Die Dicke der Hilfsschicht 44 wird so
gewählt,
dass die vertikalen Flächen
der Hilfsschicht 44 an den Flanken der Maske weiterhin
von den Dotierungsgebieten beabstandet sind. Durch diesen Abstand
wird der Abstand d2 des später
zu bildenden ersten Schottky-Kontakts vom zweiten Halbleitergebiet 12 definiert.
Dagegen definiert die Breite der zurückgeätzten Maske 41a zusammen
mit der Hilfsschicht 44 an deren Flanken die Breite des ersten
Schottky-Kontakts.
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Anschließend wird,
wie in 5D gezeigt, eine Deckschicht 46 aus
beispielsweise Fotolack ganzflächig
mit einer Dicke abgeschieden, die größer als die Dicke von zurückgeätzter Maske 41a und Hilfsschicht 44 ist.
Die Deckschicht 46 bedeckt somit die Maske 41 und
die Hilfsschicht 44 vollständig. Anstelle des Fotolacks
kann auch ein anderes Material für
die Deckschicht 46 verwendet werden, wobei darauf geachtet
werden soll, dass das Material der zurückgeätzten Maske 41a und
der Hilfsschicht 44 zum Material der Deckschicht 46 selektiv ätzbar ist.
Weiterhin sollte sich das Material der Deckschicht 46 relativ
leicht wieder entfernen lassen, da aus der Deckschicht 46 später eine
Opfermaske gebildet wird.
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Die
Deckschicht 46 wird nachfolgend zurückgeätzt, beispielsweise mittels
eines Trockenätzschritts,
bis die Hilfsschicht 44 auf der zurückgeätzten Maske 41a freigelegt
ist. Seitlich neben der zurückgeätzten Maske 41a verbleibt
dagegen die Deckschicht 46. Alternativ kann im Fall von
Fotolack zum Rückätzen ein
Ionenstrahlbelichtungsverfahren verwendet werden. Bei diesem Verfahren
wird der Umstand ausgenutzt, dass ein geeignet gewählter Fotolack
nur von Ionen mit einer Energie in einem gewissen Energiebereich
modifiziert und dadurch "belichtet" wird. Beim Durchdringen
der Fotolackschicht verlieren die Ionen an Energie und erzeugen
Fotoelektronen, die den Fotolack belichten. Der Fotolack ist daher
lediglich bis in eine gewisse Tiefe belichtet. Die Belichtungstiefe
lässt sich
durch Wahl der Anfangsenergie der Ionen einstellen. Belichtete Bereiche
können
dann chemisch entfernt werden. Die erhaltene Struktur zeigt 5E.
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Nachfolgend
wird mittels eines isotropen Ätzschrittes,
beispielsweise eine nasschemische Ätzung, die zurückgeätzte Maske 41a entfernt.
Gleichzeitig wird die Hilfsschicht 44 auf der zurückgeätzten Maske 41a entfernt
und im Bereich der nach dem Zurückätzen verbliebenen
Deckschicht 46 teilweise unterätzt. Dadurch entsteht eine
Opfermaske 48 mit Öffnungen 49,
welche die Ausdehnung des ersten Schottky-Kontakts definieren, wie
in 5F gezeigt.
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Wie
in 5G gezeigt, wird dann ganzflächig eine elektrisch leitende
erste Schicht 50 zur Ausbildung des ersten Schottky-Übergangs aufgebracht. Die erste
Schicht 50 bildet sich nur auf horizontalen Flächen aus.
Wie in 5G gezeigt, wird die erste Schicht 50 durch
die Opfermaske 48 in den Öffnungen 49 zu Schichtbereichen 50a strukturiert,
die unmittelbar auf der freiliegenden Oberfläche des ersten Halbleitergebiets 11 liegen.
Da die Opfermaske 48 die zweiten Halbleitergebiete 12 seitlich überragt, sind
die Schichtbereiche 50a lateral von den Außenkanten
der zweiten Halbleitergebiete 12 beabstandet. Die Schichtbereiche 50a bedecken
einen ersten Oberflächenbereich
des ersten Halbleitergebiets 11.
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Die
Opfermaske 48 sowie die verbliebenen Reste der Hilfsschicht 44 werden
nachfolgend entfernt. Dadurch werden gleichzeitig die Schichtbereiche
der ersten Schicht 50, die auf der Opfermaske 48 liegen,
entfernt. Dies entspricht einer Abhebetechnik (Lift-Off). Die Opfermaske 48 kann
bei Verwendung eines Fotolacks beispielsweise nasschemisch entfernt
werden. Die Hilfsschicht 44 lässt sich ebenfalls nasschemisch
entfernen. Die so erhaltene Struktur zeigt 5H.
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Abschließend wird
eine elektrisch leitende zweite Schicht 52 ganzflächig abgeschieden.
Die zweite Schicht 52 tritt seitlich neben den Schichtbereichen 50a mit
der freiliegenden Oberfläche
des ersten Halbleitergebiets 11 (zweiter Oberflächenbereich des
ersten Halbleitergebiets 11) in Kontakt und führt dort
zur Ausbildung des zweiten Schottky-Kontakts. Die zweite Schicht 52 steht
weiterhin mit dem zweiten Halbleitergebiet 12 in Kontakt
und verbindet damit die Schichtbereiche 50a der ersten
Schicht elektrisch leitend mit den zweiten Halbleitergebieten 12.
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Die
erste und zweite Schicht 50, 52 bestehen aus unterschiedlichen
Kontaktmaterialien, die zusammen mit dem Halbleitermaterial des
ersten Halbleitergebiets 11 jeweils einen Schottky-Kontakt mit unterschiedlich
hoher Barrierenhöhe
ausbilden. Die verwendeten Kontaktmaterialien sowie die räumliche Ausdehnung
des ersten und zweiten Schottky-Kontakts soll so gewählt werden,
dass im Sperrfall ein möglichst
geringer Sperrstrom fließt.
Geeignete Materialien sind unter anderem Metalle.
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Geeignete
Materialien sind unter anderem Aluminium, Tantal, Wolfram, Titan
und Nickel. Diese Metalle weisen eine in Aufzählungsrichtung steigende Barrierenhöhe auf,
wobei die Barriere zu n-dotiertem SiC bei Aluminium und Tantal etwa
1,0 eV, bei Wolfram etwa 1,05 eV, bei Titan etwa 1,27 eV und bei Nickel
etwa 1,4 eV beträgt.
Geeignete Kombinationen für
Metal 1 (Schicht 50)/Metal 2 (Schicht 52) sind demnach
beispielsweise Titan/Aluminium oder Nickel/Titan.
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Da
die Barrierenhöhe,
wie bereits weiter oben beschrieben, nicht nur von der Differenz
der Austrittsarbeiten, sondern auch von der Qualität der Grenzfläche zwischen
Halbleitermaterial und Kontaktmaterial abhängt, empfiehlt es sich, geeignete Testreihen
von diskreten Schottky-Kontakten, die zwischen unterschiedlichen
Kontaktmaterialien und dem Halbleitermaterial ausgebildet sind,
durchzuführen,
um die Barrierenhöhe
der einzelnen Kontaktmaterialien zuvor zu ermitteln. Dadurch lässt sich
die Barrierenhöhe
jedes Kontakts für
das gewählte
Halbleitermaterial unter Berücksichtigung
von spezifischen Prozessparametern separat experimentell bestimmen.
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Es
soll angemerkt werden, dass nicht jeder Kontakt zwischen einem Metall
und einem Halbleitermaterial zu einem Schottky-Kontakt führt. Beispielsweise hängt die
Ausdehnung der Verarmungszone im Halbleitermaterial stark von der
Dotierstoffkonzentration ab. Bei entsprechend hoher Dotierung wird
die Verarmungszone und damit die räumliche Ausdehnung der Schottky-Barriere im Halbleitermaterial
so schmal, dass sie vernachlässigt
werden kann und sich der Übergang
zwischen Metall und Halbleitermaterial wie ein Ohm'scher Widerstand
verhält.
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Weiterhin
kann durch geeignete Legierungsbildung, beispielsweise durch Ausbildung
eines Metallsilizids an der Grenzfläche zwischen Metall und Halbleitermaterial,
der Schottky-Kontakt in einen Ohm'schen Kontakt überführt werden. Dies erfolgt beispielsweise
bei entsprechend langer Temperaturbehandlung bei entsprechend hohen
Temperaturen.
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Um
die Einflüsse
von Prozessschritten, die der Herstellung der Schottky-Kontakte
nachgelagert sind, zu berücksichtigen,
empfiehlt es sich, diese Prozessschritte auch bei den Testreihen
zur Bestimmung der Schottky-Barrierenhöhe zu berücksichtigen.
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Alternativ
zu dem in 5I gezeigten Schritt, bei dem
ganzflächig
eine zweite Schicht 52 zur Bildung des zweiten Schottky-Übergangs
abgeschieden wird, kann auch eine Oberflächenmodifizierung mit anschließender Abscheidung
einer Materialschicht 56, die aus dem Materials der ersten
Schicht 50 und der Schichtbereiche 50a besteht,
durchgeführt
werden. Diese Alternative zeigen 6A bis 6C.
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Ausgangspunkt
ist beispielsweise die in 5H erhaltene
Struktur, die in 6A wiedergegeben ist. Somit
können
die in 5A bis 5H gezeigten
Schritten dem in 6A bis 6C gezeigten
Verfahren vorangestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, die
Schichtbereiche 50a durch andere Verfahrensschritte, beispielsweise
durch Ätzung, herzustellen.
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6B zeigt
eine Plasmabehandlung, durch welche die von den Schichtbereichen 50a der
ersten Schicht 50 nicht bedeckte und daher freiliegende Oberfläche des
ersten Halbleitergebiets 11 modifiziert wird. Durch die
Plasmabehandlung werden Oberflächenzustände, beispielsweise
Defekte, verändert,
welche die Barrierenhöhe
beeinflussen.
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Anstelle
der Plasmabehandlung kann auch eine oberflächige Oxidation der freiliegenden
Oberfläche
mit anschließender
nasschemischer Entfernung der dünnen
Oxidschicht durchgeführt
werden. Dadurch werden ebenfalls Oberflächenzustände modifiziert. Diese Verfahrensführung kann
beispielsweise auch vor Abscheidung der Schichtbereiche 50a durchgeführt werden.
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Es
versteht sich von selbst, dass eine selektive oder gemeinsame Oberflächenmodifizierung auch
bei Verwendung von unterschiedlichen Kontaktmaterialien durchgeführt werden
kann, um die Barrierenhöhen
geeignet einzustellen.
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Bei
dem beschriebenen Halbleiterbauelement handelt es sich insbesondere
um eine merged pn-Schottky-Diode, typischerweise für Leistungsanwendungen.
Weiterhin kann das Halbleiterbauelement eine Body-Diode eines MOSFETs
zwischen Source und Kanal/Substrat sein.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen weisen
typischerweise drei gleichrichtende Übergänge auf. Es können jedoch
noch weitere gleichrichtende Übergänge mit
jeweils unterschiedlicher Barrierehöhe vorgesehen werden. Insbesondere
mehr als zwei Schottky-Übergänge führen zu
einer noch besseren Performance des Halbleiterbauelements.