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DE102009033302B4 - Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement und Halbleitervorrichtung - Google Patents

Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement und Halbleitervorrichtung Download PDF

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DE102009033302B4
DE102009033302B4 DE102009033302A DE102009033302A DE102009033302B4 DE 102009033302 B4 DE102009033302 B4 DE 102009033302B4 DE 102009033302 A DE102009033302 A DE 102009033302A DE 102009033302 A DE102009033302 A DE 102009033302A DE 102009033302 B4 DE102009033302 B4 DE 102009033302B4
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Dr. Friedrichs Peter
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht (16) mit dem Schritt:
Bilden der Driftschicht (16) mit einer kontinuierlich fallenden Konzentration (N(z)) einer Ladungsträger-Dotierung (n) entlang der Wachstumsrichtung (z, 19) der Driftschicht (16) durch epitaktisches Abscheiden eines Materials der Driftschicht (16), welches mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung.
  • Ein Halbleiter-Bauelement weist häufig eine sogenannte Driftschicht auf. Die Driftschicht ist dazu ausgelegt, in einem Sperrfall des Halbleiter-Bauelements eine Sperrspannung aufzunehmen. In einem Durchlassbetrieb des Halbleiter-Bauelements ist ein Stromfluss durch die Driftschicht möglich, wobei eine möglichst geringe elektrische Verlustleistung vorteilhaft ist.
  • In der Regel weist eine Driftschicht eines Halbleiter-Bauelements eine gleichmäßige, konstante Dotierung entlang ihrer Wachstumsrichtung auf. Als Alternative dazu ist in der Veröffentlichung ”Optimum Doping Profile for Minimum Ohmic Resistance and High-Breakdown Voltage” (IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-26, NO. 3, MARCH 1979) eine Schottky-Diode mit einer Driftschicht aus Silizium beschrieben, welche eine Ladungsträger-Dotierung aufweist, die ausgehend von einem Minimum an einer von dem Substrat weggerichteten, oberen Grenzfläche der Driftschicht mit zunehmendem Abstand von der oberen Grenzfläche gegen unendlich dirigiert. Die Verfasser der Veröffentlichung beschreiben deshalb die Ladungsträger-Dotierung als in der Realität kaum erreichbar.
  • In der DE 2 103 389 A ist ein Herstellungsverfahren für eine Silizium-Driftschicht eines Halbleiter-Bauelementes beschrieben, welche mit zunehmender Tiefe einen annähernd linearen Dotierungsanstieg aufweist. Dabei wird vorgeschlagen, die Driftschicht über ein epitaktisches Abscheiden zu bilden. Eine auf diese Weise hergestellte Silizium-Driftschicht weist jedoch ein ungünstiges Verhältnis bezüglich einer vergleichsweise niedrigen Sperrspannung bei relativ hohen Durchlassverlusten auf.
  • Die DE 10 2004 054 286 A1 beschreibt eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung welche ein Substrat und einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor aufweist. Der Transistor weist auf: eine erste Halbleiterschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist; eine erste Gateschicht, die auf einer Oberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine erste Kanalschicht benachbart der ersten Gateschicht auf dem Substrat; eine erste Sourceschicht, welche elektrisch mit der ersten Kanalschicht verbunden ist; eine zweite Gateschicht benachbart der ersten Kanalschicht, um die erste Kanalschicht einzuschließen; eine zweite Kanalschicht benachbart der zweiten Gateschicht, um die zweite Gateschicht einzuschließen; eine dritte Gateschicht benachbart der zweiten Kanalschicht, um die zweite Kanalschicht einzuschließen, und eine zweite Sourceschicht, welche elektrisch mit der zweiten Kanalschicht verbunden ist.
  • Die DE 10 2007 014 038 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zumindest einem ersten Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp, zumindest einem zweiten Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp und zumindest einem dritten Halbleitergebiet vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp aufweist. Das zweite Halbleitergebiet ist zwischen erstem und drittem Halbleitergebiet angeordnet und bildet mit dem ersten Halbleitergebiet einen ersten Übergangsbereich und mit dem dritten Halbleitergebiet einen zweiten Übergangsbereich. Im zweiten Halbleitergebiet ist die Dotierstoffkonzentration geringer als die Dotierstoffkonzentration im ersten Halbleitergebiet. Die Dotierstoffkonzentration im zweiten Halbleitergebet ist entlang einer geraden Verbindungslinie zwischen erstem und drittem Halbleitergebiet inhomogen und weist zumindest ein Minimum zwischen erstem und zweitem Übergangsbereich auf.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht bereitgestellt, welches den Schritt umfasst: Bilden der Driftschicht mit einer kontinuierlich fallenden Konzentration einer Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht durch epitaktisches Abscheiden eines Materials der Driftschicht, welches mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
  • Ebenso wird eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, welche einen Substratbereich und ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht aufweist, wobei die Driftschicht entlang einer Richtung von einer dem Substratbereich zugewandten ersten Grenzfläche zu einer der ersten Grenzfläche gegenüberliegenden zweiten Grenzfläche eine kontinuierlich fallende Konzentration einer Ladungsträger-Dotierung aufweist, und welche mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
  • Die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht kann beispielsweise eine streng monoton fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung sein. Dabei ist die Driftschicht nicht auf einen bestimmten Dotierungstyp beschränkt. Die kontinuierlich fallende Konzentration kann eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung sein.
  • Ein bevorzugter (optimaler) Dotierungsverlauf ist in einer ein Wide-Bandgap-Material (z. B. Siliziumkarbid) umfassenden Driftschicht mittels eines epitaktischen Abscheidens des Driftschicht-Materials auf einfache Weise und verlässlich realisierbar. Da die Epitaxie eines Wide-Bandgap-Materials in der Regel bei hohen Temperaturen ausgeführt wird und die Atome des Kristallgitters stärker gebunden sind als beispielsweise bei Silizium, ist eine nachträgliche Veränderung des Konzentrationsverlaufs aufgrund einer Diffusion der Dotieratome unterbunden, denn nachfolgende Prozesse werden meistens bei geringeren Temperaturen durchgeführt.
  • Dies ist ein wesentlicher Vorteil einer ein Wide-Bandgap-Material umfassenden Driftschicht gegenüber einer Driftschicht aus Silizium. Nach einem Bilden einer Driftschicht aus Silizium tritt in der Regel eine unerwünschte Diffusion der Dotieratome durch nachfolgende Prozesse auf, welche das bevorzugte Dotierungsprofil verändert. Bei der vorliegenden Erfindung ist diese Diffusion der Dotieratome unterbunden. Dabei ist unter dem Wide-Bandgap-Material ein Material mit einer großen Bandlücke zu verstehen.
  • Über die vorliegende Erfindung ist eine Driftschicht mit einer vorteilhaften kontinuierlich fallenden Konzentration einer Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht, eine sogenannte Gradienten-Epitaxieschicht, auf einfache Weise realisierbar und über einen vergleichsweise langen Zeitraum unter Ausnutzung der vorteilhaften Konzentration der Ladungsträger-Dotierung verwendbar. Unter Berücksichtigung eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen elektrischen Felds an der Sperrschicht der Driftschicht und einer vorgegebenen/bevorzugten Sperrspannung lässt sich der vorteilhafte Dotierungsverlauf der Gradienten-Epitaxieschicht festlegen und über den vergleichsweise langen Zeitraum einhalten. Somit ermöglicht die Erfindung ein Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht, bei welcher ein vorteilhaftes Verhältnis aus einer vergleichsweise großen Sperrspannung bei relativ niedrigen Durchlassverlusten gewährleistet ist.
  • Das Halbleiter-Bauelement kann ein aktives Halbleiter-Bauelement, wie beispielsweise ein MOSFET oder ein JFET, sein. Ebenso kann das Halbleiter-Bauelement ein passives Halbleiter-Bauelement, beispielsweise eine Schottky-Diode, sein. Insbesondere kann das Halbleiter-Bauelement als hochsperrendes, vertikal aufgebautes unipolares Leistungsbauelement ausgebildet sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die Driftschicht aus dem Wide-Bandgap-Material und der Ladungsträger-Dotierung gebildet. Eine unerwünschte Diffusion der Dotieratome ist in diesem Fall verlässlich unterbunden.
  • Vorteilhafterweise wird die Driftschicht (16) zumindest aus einem Wide-Bandgap-Material mit einer Bandlücke, welche größer als die Bandlücke von Silizium ist, gebildet. Die Bandlücke des Wide-Bandgap-Materials ist vorzugsweise mindestens 2 eV breit. Dies führt zu einer verlässlichen Gewährleistung der oben beschriebenen Vorteile.
  • Beispielsweise wird die Driftschicht zumindest aus Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid gebildet. Da die Epitaxie von Siliziumkarbid bei hohen Temperaturen von über 1.400°C stattfindet und die Atome des Kristallgitters stärker gebunden sind, als beispielsweise bei Silizium, ist eine nachträgliche Veränderung des Konzentrationsverlaufs aufgrund einer Diffusion der Dotieratome unterbunden. Dieser Vorteil ist auch gewährleistet, sofern das Ausheilen bei einer etwas höheren Temperatur als die Epitaxie durchgeführt wird.
  • Dieser Vorteil ist auch bei der Verwendung von Galliumnitrid gewährleistet. Die Epitaxie von Galliumnitrid wird meistens bei 1000°C bis 1200°C durchgeführt. Das Ausheilen von weiteren Dotierungsimplantationen kann zwar teilweise bei höheren Temperaturen erfolgen. Allerdings tritt dabei keine merkliche Diffusion auf. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass die Diffusion durch Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid und/oder ein anderes Wide-Bandgap-Material nicht nur aufgrund der Temperatur bei der Epitaxie, sondern auch durch die Kristallstruktur eines Wide-Bandgap-Materials unterbunden ist. In Wide-Bandgap-Materialien sind die Kristallatome stärker gebunden, was eine Diffusion von Atomen erschwert. Des Weiteren werden die dem Ausheilen nachfolgenden Prozesse fast ausschließlich bei Temperaturen unter der Epitaxietemperatur durchgeführt.
  • Bevorzugter Weise wird die Driftschicht mit einer Schichtdicke dEpi gebildet, welche unter Berücksichtigung einer bevorzugten Sperrspannung VBr der Driftschicht und einem bevorzugten maximalen elektrischen Feld Emax der Driftschicht festgelegt wird. Insbesondere kann dabei gelten:
    Figure 00060001
    Alternativ kann auch gelten:
    Figure 00060002
    wobei
    Figure 00060003
    und λ in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegt. Die Driftschicht mit der kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung kann somit die vergleichsweise geringe Schichtdicke dEpi aufweisen. Dabei ist die Schichtdicke dEpi kleiner oder gleich einer Vergleichs-Schichtdicke einer verwendbaren Vergleichs-Driftschicht mit einer konstanten Vergleichs-Dotierung. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Driftschicht mit der kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung unter Beibehaltung vorteilhafter Werte für die Sperrspannung und die Durchlassverluste. Daraus ergibt sich, dass die Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht) mit der Schichtdicke dEpi unempfindlicher gegenüber Schwankungen der Dotierparameter, wie beispielsweise der Dicke, ist.
  • Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann eine Grenzfläche der Driftschicht mit einer maximalen Dotierung N0 gebildet werden, welche unter Berücksichtigung der bevorzugten Sperrspannung VBr der Driftschicht, dem bevorzugten maximalen elektrischen Feld Emax der Driftschicht und einem Gradienten-Parameter λ festgelegt wird. Der Gradientenparameter bestimmt den Unterschied zwischen der maximalen Dotierkonzentration und einer minimalen Dotierkonzentration an einer der Grenzfläche gegenüberliegenden weiteren Grenzfläche der Driftschicht. Vorzugsweise wird die maximale Dotierung N0 so festgelegt, dass gilt:
    Figure 00070001
    Eine derartige maximale Dotierung gewährleistet ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen der Sperrspannung und dem maximalen Feld.
  • Der in dem oberen Absatz beschriebene Vorteil ist auch gewährleistet, sofern gilt:
    Figure 00070002
    wobei
    Figure 00070003
    Figure 00080001
    und λ in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegt.
  • Alternativ oder Ergänzend kann die Driftschicht mit einer Konzentration N(z) der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung z der Driftschicht gebildet werden, welche unter Berücksichtigung der Schichtdicke dEpi der Driftschicht, der maximalen Dotierung N0 der Grenzfläche der Driftschicht und dem Gradienten-Parameter λ festgelegt wird. Vorteilhafterweise gilt:
    Figure 00080002
  • Die vorliegende Erfindung bietet somit ein optimales Dotierprofil der Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht), welches über den epitaktischen Abscheideprozess unter Verwendung von einem Wide-Bandgap-Material (z. B. Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid) auf einfache Weise und verlässlich realisierbar ist. Durch das optimale Dotierprofil der Driftschicht können die Durchlassverluste des Halbleiter-Bauelements bei gleicher Sperrspannung um bis zu 25% reduziert werden. Dies ist ein signifikanter Vorteil gegenüber einer konstant dotierten Driftschicht.
  • Bei einer gegebenen Sperrspannungsklasse eines unipolaren Leistungsbauelements, beispielsweise eines Schalters oder einer Diode, kann der Durchlasswiderstand durch Verwendung einer Gradienten-Epitaxieschicht um bis zu 25% gesenkt werden. Dies ist realisierbar, ohne dass Einbussen in der Sperrfähigkeit der Driftschicht auftreten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Gradienten-Parameter in einem Bereich zwischen 10 bis 1000. Insbesondere kann der Gradienten-Parameter in einem Bereich zwischen 50 bis 200 liegen. Wie unten noch genauer ausgeführt wird, lässt sich eine Driftschicht mit einem derartigen Wert für den Gradienten-Parameter einfach realisieren und bietet zu einem hohen Prozentsatz die Vorteile eines unendlichen Gradienten-Parameters.
  • Beispielsweise wird die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht über ein Variieren eines Gasflusses des mindestens einen Datierstoffs für die Ladungsträger-Datierung während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht ausgebildet. Auf diese Weise kann der Einbau von Datieratomen während des Epitaxieprozesses kontrolliert verändert werden.
  • Des Weiteren kann die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht über ein Variieren eines Verhältnisses aus einem ersten Gasfluss und einem zweiten Gasfluss während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht (16) ausgebildet werden, wobei der erste Gasfluss und der zweite Gasfluss das Wide-Bandgap-Material umfassen. Beispielsweise wird die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung über ein Variieren eines Verhältnisses aus Kohlenstoff und Silizium während des epitaktischen Abscheidens ausgebildet. Auch ein derartiges Herstellungsverfahren lässt sich einfach ausführen.
  • Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile des Herstellungsverfahrens sind auch bei einer entsprechenden Halbleitervorrichtung gewährleistet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1A bis 1D vier Koordinatensystem zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement;
  • 2 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement;
  • 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung;
  • 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung;
  • 5A und 5B schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung; und
  • 6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
  • In den Figuren sind Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen, die gleiche oder ähnliche Bauteile betreffen – sofern nichts Gegenteiliges beschrieben worden ist.
  • 1A bis 1D zeigen vier Koordinatensystem zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement.
  • Zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens wird eine Berechnungsvorschrift für ein vorteilhaftes Dotierungsprofil einer Driftschicht des hergestellten Halbleiter-Bauelementes unter Berücksichtigung/Einhaltung eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen (elektrischen) Felds Emax der Driftschicht und einer vorgegebenen/bevorzugten Durchbruchspannung VBr angegeben. Dabei ist unter dem vorteilhaften Dotierungsprofil ein Dotierungsprofil zu verstehen, welches bewirkt, dass die Driftschicht bei einer möglichst großen Sperrspannung VBr einen relativ geringen Schichtwiderstand ρ aufweist.
  • Das im Weiteren erläuterte Herstellungsverfahren umfasst ein epitaktisches Abscheiden eines Materials der Driftschicht, welches zumindest ein Wide-Bandgap-Material und eine Ladungsträger-Dotierung umfasst. Ein geeignetes Wide-Bandgap-Material ist beispielsweise Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid. Die Wachstumsrichtung der Driftschicht verläuft entlang der z-Achse, wobei eine untere Grenzfläche der Driftschicht, welche vorzugsweise zu einem Substrat ausgerichtet ist, parallel zu der xy-Ebene ausgerichtet ist mit z = dEpi bei einer Schichtdicke dEpi der hergestellten Driftschicht. Die der unteren Grenzfläche gegenüberliegende obere Grenzfläche ist ebenfalls parallel zu der xy-Ebene ausgerichtet mit z = O. Die Bezeichnungen untere Grenzfläche und obere Grenzfläche beziehen sich auf Herstellungsverfahren eine Driftschicht, bei welcher die untere Grenzfläche vor der oberen Grenzfläche gebildet wird. Das hier beschriebene Herstellungsverfahren ist aber auch zur Herstellung einer Driftschicht mit einer Wachstumsrichtung von oben nach unten übertragbar.
  • Unabhängig von dem Dotierungsprofil N(z) längs der Wachstumsrichtung gelten für das elektrische Feld E(z), das Potential V(z) und dem Schichtwiderstand ρ die Gleichungen (Gl 1) bis (Gl 3), wobei e0 die Elementarladung, ε0 die Permittivität des Vakuums, εr die relative Permittivität und μ die Ladungsträgerbeweglichkeit bezeichnen:
    Figure 00110001
  • Das im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren basiert auf der Erkenntnis, dass von einem Punch-Through-Design der Driftschicht ausgegangen werden kann. Somit kann angenommen werden, dass die Driftschicht im Sperrfall völlig von Ladungsträgern entleert ist. Es kann weiterhin angenommen werden, dass das elektrische Feld E(z) an der unteren Grenzschicht bei z = dEpi auf 0 abgefallen ist. Die Entwicklung des Herstellungsverfahrens beruht auch auf der Erkenntnis, dass die unvollständige Ionisation der Dotieratome in dem Wide-Bandgap-Material sowie die Abhängigkeit der Beweglichkeit von der Dotierkonzentration vernachlässigbar ist.
  • Das maximale elektrische Feld, welches im Weiteren als maximales Feld Emax bezeichnet wird, und die Sperrspannung VBr ergeben sich aus den Gleichungen (Gl 1) und (Gl 2) für z = 0 mit:
    Figure 00120001
  • Über das im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren erhält man ein Dotierprofil N(z) in der Driftschicht, bei welchem die Sperrspannung VBr maximiert und gleichzeitig der Schichtwiderstand ρ minimiert ist. Das Herstellungsverfahren basiert auf der Erkenntnis, dass das vorteilhafte Dotierprofil N(z) über eine Anwendung eines Lagrange-Multiplikators herleitbar ist. Das Funktional ergibt sich mit:
    Figure 00120002
    wobei α der sogenannte Lagrange-Multiplikator ist.
  • Der in Gleichung (Gl 6) in Klammer gesetzte Term l(E, dE / dr ) genügt bevorzugterweise der Euler-Lagrange-Differenzialgleichung (Gl 7) mit: ∂l / ∂E – d / dz ∂l / ∂E = 0 (Gl 7)
  • Zur Lösung der Gleichung (Gl 7) wird die Gleichung (Gl 8) verwendet mit:
    Figure 00130001
  • Man erhält somit die Differenzialgleichung (Gl 9):
    Figure 00130002
    welche durch Trennung der Variablen integrierbar ist. Auf diese Weise erhält man Gleichung (Gl 10).
  • Figure 00130003
  • In der Gleichung (Gl 10) ist ein Gradienten-Parameter λ, welcher mittels der Gleichung (Gl 11) definiert ist:
    Figure 00130004
    wobei N0 die maximale Flächendotierung (Dotierung der unteren Grenzfläche) bei z = dEpi angibt.
  • Bei der Definition des Gradienten-Parameters λ wird von einer kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung N(z) entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht ausgegangen, welche über das hier erläuterte Herstellungsverfahren in der Driftschicht realisierbar ist. Der Gradienten-Parameter λ bestimmt die Ausprägung der Variation des Dotierprofils. Je größer der Gradienten-Parameter λ wird, desto größer ist die Änderung der Dotierkonzentration längs der Wachstumsrichtung. Im Grenzfall λ → 0 wird eine konstant dotierte Ausgangsepitaxieschicht reproduziert.
  • Der in Gleichung (Gl 10) angegebene funktionale Zusammenhang des Dotierverlaufs N(z) kann in die Gleichungen (Gl 3) bis (Gl 5) eingesetzt werden. Man erhält dabei die Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14) mit:
    Figure 00140001
  • Die Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14) beschreiben die funktionalen Zusammenhänge der hergestellten Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht). Allerdings treten neben den Vorgabewerten Emax und EBr in den Gleichungen (Gl 12) bis (Gl 14) noch die Parameter der Schichtdicke dEpi, der maximalen Flächendotierung N0 und des Gradienten-Parameters λ auf.
  • Für ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales Feld Emax und eine gegebene Schichtdicke dEpi kann die maximale Flächendotierung N0 aus Gleichung (Gl 13) hergeleitet werden:
    Figure 00150001
  • Für die Sperrspannung VBr erhält man aus Gleichung (Gl 14) die folgende Gleichung (Gl 16):
    Figure 00150002
    Somit erhält man für die Schichtdicke dEpi der Driftschicht in Zusammenhang (Gl 17):
    Figure 00150003
    Die Schichtdicke dEpi gemäß Gleichung (Gl 17) kann anschließend in Gleichung (Gl 15) eingesetzt werden. Man erhält dabei
    Figure 00150004
  • Somit sind für ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales Feld Emax und eine vorgegebene/bevorzugte Sperrspannung VBr die Parameter der Driftschicht in Abhängigkeit von dem Gradienten-Parameter λ herleitbar. Man erhält für den Schichtwiderstand ρ:
    Figure 00150005
  • Für den Fall eines Gradienten-Parameters λ gegen Unendlich strebt der Nenner von Gleichung (Gl 10) gegen Unendlich. Damit das Dotierprofil N(z) endlich bleibt, wäre somit eine unendlich hohe maximale Flächendotierung N0 (in der unteren Grenzfläche) vorteilhaft.
  • Für den Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich lassen sich für die Funktionen f(λ), g(λ) und h(λ) die folgenden Approximationen (Gl 20) bis (Gl 22) herleiten:
    Figure 00160001
  • Über die Approximationen (Gl 20) bis (Gl 22) ergeben sich bei einem Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich die folgenden Grenzwerte für die Schichtdicke dEpi, die maximale Flächendotierung N0 und den Schichtwiderstand ρ:
    Figure 00160002
    wobei mit der Vergleichs-Schichtdicke depi.const, der Vergleichs-Flächendotierung N0.const und dem Vergleich-Schichtwiderstand ρconst jeweils die Parameter einer entsprechenden Vergleichs-Driftschicht (im Punch-Through-Design mit E(z = dEpi) = 0) mit einer entlang der Wachstumsrichtung konstant verlaufenden Ladungsträger-Dotierung und einem gleichen maximalen Feld Emax und einer gleicher Sperrspannung VBr bezeichnet werden.
  • Durch Einsetzen der Gleichung (Gl 24) in Gleichung (Gl 10) und Grenzwertbildung erhält man:
    Figure 00170001
  • In diesem Fall beträgt die Dotierkonzentration N(z) an der oberen Grenzfläche 2/3 der Konzentration der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht. An der unteren Grenzfläche der Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht) divergiert die Dotierkonzentration N(z) jedoch gegen Unendlich. Somit ist dieser Grenzfall mit einem Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich nicht realisierbar.
  • Das im Weiteren beschriebene Verfahren ermöglicht jedoch eine Driftschicht, welche die Vorteile des in den oberen Absätzen beschriebenen Grenzfalls (mit dem Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich) nahezu vollständig unter Verwendung eines endlichen und leicht realisierbaren Gradienten-Parameter λ gewährleistet.
  • Zwischen dem ersten Grenzfall mit einem Gradienten-Parameter λ gegen 0 und dem zweiten Grenzfall mit einem Gradienten-Parameter λ gegen Unendlich zeigen die Gleichungen (Gl 17) bis (Gl 19) einen stetig differenzierbaren Übergang.
  • Das hier beschriebene Herstellungsverfahren beruht auf der Erkenntnis, dass für einen bestimmten Bereich von Werten für den Gradienten-Parameter λ die Vorteile des zweiten Grenzfalls mit λ gegen Unendlich zu einem hohen Prozentsatz realisierbar sind und gleichzeitig der Dotierverlauf auf einfache Weise während des epitaktischen Abscheideprozesses kontinuierlich veränderbar ist. Um dies zu erreichen, werden lediglich bei einem geeigneten Wert des Gradienten-Parameters λ die Gasflüsse und/oder Gasverhältnisse in der Epitaxieanlage kontinuierlich verändert.
  • Zum Darstellen der Vorteile dieses Verfahrens wird auf die nachfolgend beschriebenen Figuren verwiesen: 1A bis 1D zeigen vier Koordinatensysteme zum Erläutern einer Relation zwischen einem Gradienten-Parameter, einer Schichtdicke, eines Schichtwiderstands, einer maximalen Flächendotierung, eines maximalen Felds und einer Sperrspannung einer mittels einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gebildeten Driftschicht.
  • 1A gibt einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ und einer Schichtdicke dEpi an, welche zur Gewährleistung eines vorgegebenen/bevorzugten maximalen Felds Emax und einer vorgegebenen/bevorzugten Sperrspannung VBr anstelle einer Vergleichs-Flächendotierung N0.const von 6 × 1015 cm–3 und einer Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm verwendbar sind. Dabei ist die Abszisse der Gradienten-Parameter λ und die Ordinate die zugehörige Schichtdicke dEpi in Mikrometer.
  • Zwischen dem Wertebereich von 10–1 bis 102 erkennt man einen Übergangsbereich mit einer negativen Steigung mit einem hohen Betrag. Somit führt bereits ein Gradienten-Parameter λ in diesem Wertebereich zwischen 10–1 bis 103 zur Gewährleistung einer vorteilhaften dünnen Driftschicht gegenüber der Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht. Durch die dünnere Ausbildung der mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens gebildeten Driftschicht sind beispielsweise die Herstellungskosten reduzierbar.
  • 1B gibt einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ und einem zugehörigen Schichtwiderstand ρ wieder. Die Abszisse ist der Gradienten-Parameter λ. Die Ordinate ist der zugehörige Schichtwiderstand ρ in mΩcm2. Die wiedergegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die oben genannten Werte der Vergleichs-Flächendotierung N0.const von 6 × 1015 cm–3 und der Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm.
  • Auch in 1B erkennt man einen Übergangsbereich des Schichtwiderstands ρ bei einem Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103. In dem Übergangsbereich hat der Schichtwiderstand ρ mit einem starken Gradientenverlauf ab. Somit ist ein Gradienten-Parameter λ ab 10–1 vorteilhaft für eine Driftschicht mit einem geringen Schichtwiderstand ρ.
  • Ab einem Gradienten-Parameter λ von 100 nimmt der Schichtwiderstand ρ kaum noch ab. Man kann dies auch so bezeichnen, dass der Schichtwiderstand ρ bei einem Gradienten-Parameter λ von 100 seinen Optimalwert fast schon erreicht hat. Es ist somit ausreichend, einen Driftschicht mit einem Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103 zu bilden. Eine weitere Steigerung des Gradienten-Parameter λ über 103 ist im Vergleich mit einem Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103 mit keinen signifikanten Vorteilen verbunden.
  • Vorzugsweise wird deshalb bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren ein Gradienten-Parameter λ in dem Wertebereich zwischen 10–1 und 103, bevorzugt zwischen 50 bis 200, insbesondere von 100, verwendet. Für einen derartigen Gradienten-Parameter λ ergibt sich aufgrund der Wurzelabhängigkeit eine Dotierungsbandbreite von etwa einer Größenordnung zwischen einer Maximaldotierung an der unteren Grenzfläche und einer Minimaldotierung an der oberen Grenzfläche. Diese Dotierungsbandbreite lässt sich auf einfache Weise bei einer epitaktischen Abscheidung des Materials der Driftschicht realisieren.
  • 1C gibt die maximale Flächendotierung Nmax an der unteren Grenzfläche und die minimale Flächendotierung Nmin an der oberen Grenzfläche in Abhängigkeit von dem Gradienten-Parameter λ an. Die an der Ordinate angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Vergleichs-Flächendotierung N0.const von 6 × 1015 cm–3 und die Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm.
  • 1D gibt einen Zusammenhang zwischen dem Gradienten-Parameter λ, dem maximalen Feld Emax und der Sperrspannung VBr an. Die jeweiligen Zahlenwerte für das maximale Feld Emax und die Sperrspannung VBr der Ordinaten beziehen sich auf die Vergleichs-Flächendotierung N0.const von 6 × 1015 cm–3 und die Vergleichs-Schichtdicke depi.const von 14 μm.
  • Wie in 1D zu erkennen ist, wird für alle Zahlenwerte des hier untersuchten Gradienten-Parameters λ ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales Feld Emax und eine vorgegebene/bevorzugte Sperrspannung VBr konstant eingehalten. Dabei liegt das vorgegebene/bevorzugte maximale Feld Emax bei ca. 1500 kV/cm. Die vorgegebene/bevorzugte Sperrspannung VBr beträgt etwa 1100 V.
  • Bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird die Driftschicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke dEpi gebildet, welche unter Berücksichtigung der vorgegebenen/bevorzugten Sperrspannung VBr und dem vorgegebenen/bevorzugten maximalen Feld Emax der Driftschicht festgelegt wird. Insbesondere kann dabei gelten:
    Figure 00200001
  • Alternativ kann auch (Gl 17) zur Gewährleistung der Vorteile gelten.
  • Eine derartige vorteilhafte Beziehung zwischen der Schichtdicke dEpi, dem maximalen Feld Emax und der Sperrspannung VBr ist auf einfache Weise realsierbar, sofern der Gradienten-Parameter λ in einem Wertebereich zwischen 10 bis 1000 liegt. Somit kann bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren die Schichtdicke dEpi um bis 25% gegenüber der Vergleichs-Schichtdicke depi.const der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht reduziert werden. Entsprechend kann auch der Schichtwiderstand ρ auf bis zu 75% des Vergleichs-Schichtwiderstands der konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht reduziert werden. Dies gewährleistet die oben beschriebenen Vorteile.
  • Zusätzlich kann bei dem Herstellungsverfahren die untere Grenzfläche der Driftschicht mit einer maximalen Flächendotierung N0 gebildet werden, welche unter Berücksichtigung der bevorzugten Sperrspannung VBr, den bevorzugten maximalen Feld Emax der Driftschicht und eines Gradienten-Parameters λ in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 festgelegt wird. Insbesondere kann dabei die Gleichung (GL 18) oder die Gleichung (Gl 28) gelten mit:
    Figure 00210001
  • Des Weiteren kann die Driftschicht mit einer Dotierung N(z) entlang der Wachstumsrichtung gebildet werden, welche unter Berücksichtigung der Schichtdicke dEpi der maximalen Flächedotierung N0 der unteren Grenzfläche der Driftschicht und dem Gradienten-Parameter λ in dem Bereich zwischen 10 bis 1000 festgelegt wird. Vorzugsweise gilt dabei die Gleichung (Gl 29) mit:
    Figure 00210002
  • Ein derartiges Dotierungsprofil N(z) ist auf einfache Weise und verlässlich realisierbar, indem die Driftschicht durch ein epitaktisches Abscheiden eines Materials, welches zumindest ein Wide-Bandgap-Material und die Ladungsträger-Dotierung umfasst, gebildet wird. Insbesondere kann die Driftschicht aus dem Wide-Bandgap-Material und der Ladungsträger-Dotierung gebildet werden. Vorzugsweise liegt der Gradienten-Parameter λ in einem Bereich zwischen 50 bis 200. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird als Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid abgeschieden. Auf diese Weise ergeben sich die oben schon beschriebenen Vorteile.
  • Beispielsweise wird beim Bilden der Driftschicht von einer Vergleichs-Flächendotierung N0.const von 6 × 1015 cm–3, einer Vergleichs-Schichtdicke dEpi.const von 14 μm und einem Vergleichs-Schichtwiderstand ρconst von etwa 1,75 mΩm2 ausgegangen. Die Driftschicht kann mit einem Gradienten-Parameter λ von 100 gebildet werden, wobei die maximale Flächendotierung N0 4,2 × 1016 cm–3, die minimale Flächendotierung der oberen Grenzschicht 4,2 × 1015 cm–3, die Schichtdicke dEpi 11 μm und der Schichtwiderstand ρ etwa 1,33 mΩcm2 beträgt. Eine derartige Driftschicht ist für viele Ausführungsformen eines Halbleiter-Bauelements vorteilhaft.
  • Eine mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellte Driftschicht (Gradienten-Epitaxieschicht) weist einen Durchlasswiderstand auf, welcher geringer als der Durchlasswiderstand einer konstant dotierten Epitaxieschicht ist. Dies ist vorteilhaft, obwohl die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiter-Bauelements, insbesondere eine Schaltbauelements, nicht ausschließlich durch die Driftschicht definiert sind.
  • Durch die höhere Dotierung an der unteren Grenzfläche steigt das elektrische Feld in diesem Bereich stärker an. Innerhalb der Driftschicht ist das elektrische Feld in diesem Fall etwas höher als bei einer entsprechenden Vergleichs-Driftschicht mit einer konstanten Dotierung. Allerdings steigt das elektrische Feld in einer Driftschicht mit einem λ ≠ 0 langsamer an, so dass an der Oberfläche das maximale Feld Emax (maximale Feldstärke) nicht überschritten wird. Anschaulich gesprochen wird das Potenzial, welches in der konstanten Vergleichs-Driftschicht direkt an der unteren Grenzfläche aufgenommen wird, bei der Driftschicht mit einem λ zwischen 10 bis 1000 in das Volumen der Driftschicht verlagert.
  • Wie Untersuchungen gezeigt haben, kann ein Halbleiter-Bauelement mit der mittels der hier beschriebenen Technik gewonnenen Driftschicht vorteilhaft eingesetzt werden.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein unipolares Halbleiter-Bauelement.
  • In einem optionalen Verfahrensschritt S1 des Herstellungsverfahrens wird eine für ein epitaktisches Abscheiden eines Materials einer Driftschicht verwendete Prozesskammer evakuiert und/oder gespült. In einem gleichzeitig, zuvor oder danach ausgeführten Verfahrensschritt S2 wird die Prozesskammer auf eine Wachstumstemperatur der Driftschicht aufgeheizt. Da die in der Prozesskammer mittels des epitaktischen Abscheidens hergestellte Driftschicht ein Wide-Bandgap-Material umfasst, wird die Prozesskammer vorzugsweise auf relativ hohe Wachstumstemperatur vorgeheizt. Sofern als Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid abgeschieden werden soll, kann die Prozesskammer auf eine Wachstumstemperatur von mindestens 1400°C aufgeheizt werden.
  • Vor einem Beginn des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht können in einem optionalen Verfahrensschritt S3 ein Druck in der Prozesskammer und/oder die Gasflüsse der Trägergase eingestellt werden. Ebenso kann in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt S4 eine Oberfläche, auf welcher die Driftschicht mittels des epitaktischen Abscheidens gebildet wird, geätzt werden. Die Bezeichnungen der Verfahrensschritte S1 bis S4 legen jedoch keine zeitliche Reihenfolge zum Ausführen der Verfahrensschritte fest.
  • Zum Starten des epitaktischen Abscheidens der Driftschicht werden in einem Verfahrensschritt S5 die für das epitaktische Abscheiden verwendeten reaktiven Gase zugeschaltet. Sofern die Driftschicht aus einem Material gebildet wird, welches Siliziumkarbid und eine Ladungsträger-Dotierung umfasst, werden als reaktive Gase bevorzugt SiH4, C3H8 und ein Dotiergas verwendet. Als Dotiergas können die aus dem Stand der Technik bekannten Datiergase für eine Ladungsträger-Dotierung verwendet werden. Wenn die Driftschicht zusätzlich zu dem Siliziumkarbid und der Ladungsträger-Dotierung noch ein weiteres Material umfassen soll, wird ein für das Material verwendbares Datiergas ebenfalls zugeschaltet.
  • Nach dem Verfahrensschritt S5 wird in einem Verfahrensschritt S6 das epitaktische Abscheiden der Driftschicht während einer Wachstumsphase ausgeführt. Durch ein zeitliches Verändern eines Gasflusses mindestens eines der verwendeten reaktiven Gase wird während der Wachstumsphase eine Driftschicht abgeschieden, welche eine kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht aufweist.
  • Beispielsweise wird während des Verfahrensschritts S6 die in dem Koordinatensystem dargestellte Beziehung zwischen einem Zeitverlauf t und einem Dotiergasfluss A eingehalten. Dabei entspricht die Abszisse des Koordinatensystems dem Zeitverlauf t. Die Ordinate gibt den kontinuierlich (streng monoton) fallenden Dotiergasfluss A wieder. Insbesondere kann der Dotiergasfluss exponentiell abfallen.
  • Die Zeitdauer der Wachstumsphase, bzw. des Verfahrensschritts S6, kann so gewählt werden, dass die Driftschicht mit einer Schichtdicke gemäß der Gleichung (Gl 17) oder (Gl 27) gebildet wird. Die die Schichtdicke der Driftschicht gemäß Gleichung (Gl 17) oder (Gl 27) beträgt somit nur etwa 75% einer Vergleichs-Schichtdicke einer konstant dotierten Vergleichs-Driftschicht. Durch das Ausbilden der Driftschicht mit einer reduzierten Schichtdicke gemäß der Gleichung (Gl 17) oder (Gl 27) wird die Herstellung der Driftschicht günstiger. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Siliziumkarbid vorteilhaft. Die reduzierte Schichtdicke bewirkt im Zusammenhang mit der kontinuierlich fallenden Dotierkonzentration entlang der Wachstumsrichtung zusätzlich, dass Schwankungen der Dotierung und/oder der Schichtdicke geringere Auswirkungen auf die Sperrspannung der hergestellten Driftschicht haben.
  • Zu Beginn des Verfahrensschritt S6 kann eine einem Substrat zugewandte untere Grenzfläche der Driftschicht mit einer maximalen Flächendotierung gemäß der Gleichung (Gl 18) oder (Gl 28) gebildet werden. Des Weiteren kann über eine geeignete Beziehung zwischen dem Zeitverlauf t und dem Dotiergasfluss A eine Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung gemäß der Gleichung (Gl 29) ausgebildet werden. Bevorzugterweise liegt der Gradienten-Parameter dabei in einem Bereich zwischen 10 bis 1000. Der Gradienten-Parameter kann insbesondere in einem Bereich zwischen 50 bis 200 liegen.
  • Eine Driftschicht mit einer Konzentration der Ladungsträger-Dotierung gemäß der Gleichung (Gl 29) weist die Vorteile einer vergleichsweise hohen Sperrspannung bei gleichzeitig relativ geringen Durchlassverlusten auf. Somit eignet sich die über das hier beschriebene Herstellungsverfahren gebildete Driftschicht besonders gut für ein Halbleiter-Bauelement.
  • Da die vorteilhafte Konzentration der Ladungsträger-Dotierung gemäß Gleichung (Gl 29) über ein epitaktisches Abscheiden von einem Wide-Bandgap-Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid, bei einer vergleichsweise hohen Temperatur eingestellt wird, ist eine nachträgliche Änderung des Konzentrationsverlaufs durch eine Diffusion der Dotierstoffe ausgeschlossen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der das Wide-Bandgap-Material umfassenden Driftschicht gegenüber einer herkömmlichen Driftschicht aus Silizium. Bei einer herkömmlichen Driftschicht aus Silizium wird der Konzentrationsverlauf der Ladungsträger-Dotierung in der Regel nach einem Herstellen der Silizium-Driftschicht durch eine Diffusion der Ladungsträger-Dotierung durch nachfolgende Prozesse verändert. Somit ist es bei einer Silizium-Driftschicht kaum möglich, einen bevorzugten Konzentrationsverlauf der Ladungsträger-Dotierung über einen längeren Zeitraum zu nutzen. Mittels des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens ist dieses Problem lösbar.
  • Das hier beschriebene Herstellungsverfahren ist nicht auf ein Festlegen der kontinuierlich fallenden Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht durch ein Variieren eines Gasflusses A des mindestens einen Dotiergasflusses A für die Ladungsträger-Dotierung während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht beschränkt. Als Alternative oder als Ergänzung zu dem Variieren des Dotiergasflusses A kann das Herstellungsverfahren auch einen Verfahrensschritt enthalten, bei welchem die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung entlang der Wachstumsrichtung der Driftschicht über ein zusätzliches oder auch ausschließliches Variieren eines Verhältnisses eines ersten Teilmaterials des Wide-Bandgap-Materials und eines zweiten Teilmaterials des Wide-Bandgap-Material ausgebildet wird. Beispielweise kann die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung über ein Variieren eines Verhältnisses aus Kohlenstoff und Silizium während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht ausgebildet werden.
  • Das epitaktische Abscheiden der Driftschicht, bzw. die Wachstumsphase, wird über ein Abschalten der reaktiven Gase in einem Verfahrensschritt S7 beendet. In einem optionalen Verfahrensschritt S8 kann ein Abkühlvorgang der Prozesskammer eingeleitet werden. Anschließend kann die Prozesskammer in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt S9 mit einem Inertgas gespült werden. Ebenso kann in dem Verfahrensschritt S9 ein Normaldruck in der Prozesskammer eingestellt werden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
  • Die in 3 schematisch dargestellte Halbleitervorrichtung 10 umfasst ein Substrat 12 und ein als VJFET des Typs 1 ausgebildetes Halbleiter-Bauelement. Das Substrat 12 weist eine vergleichsweise hohe n-Dotierung auf. An einer Unterseite des Substrats 12 ist ein Drain-Kontakt 14 ausgebildet. An einer der Unterseite gegenüber liegenden Oberseite des Substrats 12 ist eine Driftschicht 16 des VJFET ausgebildet.
  • Die Driftschicht 16 weist entlang einer Richtung 19 von einer dem Substrat 12 zugewandten ersten Grenzfläche 18 zu einer der ersten Grenzfläche 18 gegenüberliegenden zweiten Grenzfläche 20 eine kontinuierlich fallende Konzentration einer n-Ladungsträger-Dotierung auf. Die mittlere Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung der Driftschicht 16 liegt vorzugsweise unter der mittleren Konzentration der n-Dotierung des Substrats 12.
  • Die Driftschicht 16 umfasst zumindest ein Wide-Bandgap-Material und die n-Ladungsträger-Dotierung. Vorzugsweise ist die Driftschicht 16 aus dem Wide-Bandgap-Material und der n-Ladungsträger-Dotierung gebildet. Ein bevorzugtes Wide-Bandgap-Material ist Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid. Durch die Verwendung von Siliziumkarbid in der Driftschicht 16 kann eine bevorzugte Ladungsträger-Dotierung auf einfache Weise realisiert und verlässlich während eines Betriebs der Halbleitervorrichtung 10 eingehalten werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht eine mittlere Schichtdicke der Driftschicht 16 der Gleichung (GL 17). Vorteilhaft ist es auch, wenn die mittlere Schichtdicke der Driftschicht 16 der Gleichung (GL 27) entspricht. Die Driftschicht 16 ist somit mit einer vergleichsweise niedrigen mittleren Schichtdicke herstellbar. Dies reduziert die Kosten für die Herstellung der Driftschicht 16.
  • Die maximale Flächendotierung an der ersten Grenzfläche 18 der Driftschicht 16 kann gemäß der Gleichung (GL 18) sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die maximale Flächendotierung auch gemäß der Gleichung (GL 28) sein. Entsprechend kann die Driftschicht 16 als kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung eine Konzentration gemäß der Gleichung (GL 29) aufweisen. Der Gradienten-Parameter λ, welcher in den Gleichungen (Gl 17); (Gl 18), (GL 28) und (GL 29) auftritt, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegen. Vorzugsweise liegt der Gradientenparameter in einem Bereich zwischen 50 bis 200.
  • Die Driftschicht 16 kann mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen gebildet werden. Dabei können auch Verfahrensschritte der einzelnen Ausführungsformen zu einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kombiniert werden.
  • Auf einer dem Substrat 12 gegenüberliegenden Seite der Driftschicht 16 sind p-dotierte und n-dotierte Bereiche 22 und 24 ausgebildet. Die p-dotierten Bereiche 22 sind über jeweils einen zugehörigen Gate-Kontakt 26 kontaktierbar. Entsprechend sind die n-dotierten Bereiche 24 über jeweils einen Source-Kontakt 28 kontaktierbar. Da Verfahren zum Herstellen der Komponenten 22 bis 28 und die Funktionsweise der Halbleitervorrichtung 10 aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht darauf eingegangen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren zum Bilden der Driftschicht auf einfache Weise in das Gesamt-Herstellungsverfahren der der Halbleitervorrichtung 10 aus den Komponenten 12 bis 16 und 22 bis 28 integrierbar ist.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
  • Die dargestellte Halbleitervorrichtung 30 weist ein als VJFET des Typs 2 ausgebildetes Halbleiter-Bauelement auf. Das Substrat 12 der Halbleitervorrichtung 30 umfasst vorzugsweise 4H-SiC. Auch die Driftschicht 16 kann dieses Material (4H-SiC) umfassen. Insbesondere umfasst die Driftschicht 16 das Wide-Bandgap-Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid, und die n-Ladungsträger-Dotierung. Die Driftschicht weist eine kontinuierlich fallende Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung entlang der Richtung 19 von der dem Substratbereich zugewandten ersten Grenzfläche 18 zu der der ersten Grenzfläche 18 gegenüberliegenden zweiten Grenzfläche 20 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Driftschicht 16 die Eigenschaften gemäß der Gleichungen (GL 17), (Gl 18) und (GL 29). Vorteilhafterweise kann die Driftschicht 16 auch den Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und (GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter λ, welcher in den Gleichungen (Gl 17), (Gl 18), (GL 28) und (GL 29) auftritt, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegen.
  • Somit ist die Halbleitervorrichtung 30 im Vergleich mit einem herkömmlichen VJFET des Typs 2 kastengünstiger herstellbar. Zu dem Kostenvorteil kann dabei auch der vorteilhaftere Schichtwiderstand beitragen. Aufgrund des vorteilhaften Schichtwiderstands kann die aktive Fläche kleiner gewählt werden, wodurch die Kosten pro Bauelement sinken.
  • Ebenso ist die Halbleitervorrichtung 30 auf einfache Weise so realisierbar, dass ein vorgegebenes/bevorzugtes maximales (elektrisches) Feld der Driftschicht 16 und eine vorgegebene/bevorzugte Durchbruchspannung der Driftschicht 16 gewährleistet ist.
  • Die weiteren Komponenten 12 und 22–24 der Halbleitervorrichtung 30 korrespondieren zu der bereits beschriebenen Ausführungsform der 3. Auf eine erneute Beschreibung wird deshalb hier verzichtet.
  • Als Alternative zu den Halbleitervorrichtungen 10 und 30 mit einer n-dotierten Driftschicht 16 sind auch entsprechende Ausführungsformen mit einer p-dotierten Driftschicht realisierbar.
  • 5A und 5B zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
  • Dabei zeigt jede der beiden 5A und 5B jeweils eine Halbzelle eines MOSFET. In 5A ist eine als DMOS ausgebildete Halbzelle 40 dargestellt. 5B zeigt eine als UMOS ausgebildete Halbzelle 42. Jede der beiden Halbzellen 40 und 42 weist eine Driftschicht 16 auf, welche zumindest aus einem Wide-Bandgap-Material und einer n-Ladungsträger-Dotierung gebildet ist. Vorzugsweise ist das Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid. Jede der beiden Driftschichten 16 hat entlang einer Richtung 19 von der dem Substrat 12 zugewandten ersten Grenzfläche 18 zu der zweiten Grenzfläche 20 eine kontinuierlich fallende Konzentration der n-Ladungsträger-Dotierung. Die Parameter einer jeder Driftschicht 16 können gemäß den Gleichungen (GL 17), (GL 18) und (GL 29) festgelegt sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Parameter einer jeder Driftschicht 16 auch den Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und (GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter λ, welcher in den Gleichungen (Gl 17), (Gl 18), (GL 28) und (GL 29) auftritt, kann in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegen.
  • Zum Herstellen der Halbzellen 40 und/oder 42 kann eine der oben beschriebenen Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens oder eine Kombination aus diesen verwendet werden. Die Verfahrensschritte zum Herstellen der jeweiligen Driftschicht 16 lassen sich auf einfache Weise in das Gesamt-Herstellungsverfahren, bei welchem zusätzlich zu den Driftschichten 16 die Kontakte 14, 26 und 28, die p-dotierten Schichten 44 und 46, die n-dotierten Schichten 48 und die isolierenden Schichten 50 gebildet werden, anwenden. Auf ein mögliches Gesamt-Herstellungsverfahren zum Herstellen mindestens einer der beiden Halbzellen 40 oder 42 wird deshalb hier nicht weiter eingegangen. Außerdem können über ein korrespondierendes Gesamt-Herstellungsverfahren Halbzellen mit einer p-dotierten Driftschicht gebildet werden.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
  • Die dargestellte Halbleitervorrichtung 60 ist als Schottky-Diode ausgebildet. An einer Unterseite des Substrats 12 ist ein lötbarer Rückseitenkontakt 62 angeordnet. Die Oberseite des Substrats 12 ist zumindest teilweise von einer Feld-Stopp-Schicht 64 abgedeckt. Auf der Feld-Stopp-Schicht 64 ist eine n-dotierte Driftschicht 16 aus einem Wide-Bandgap-Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid, und einer n-Ladungsträger-Datierung ausgebildet. Die Driftschicht 16 kann zusätzlich zu dem Wide-Bandgap-Material und der n-Ladungsträger-Dotierung noch mindestens ein weiteres Material umfassen.
  • Die Driftschicht 16 weist entlang der Richtung 19 von der ersten Grenzfläche 18 zu der zweiten Grenzfläche 20 die kontinuierlich fallende Konzentration der Ladungsträger-Dotierung auf. Vorzugsweise erfüllen die Parameter der Driftschicht 16 mindestens eine der Gleichungen (GL 17), (GL 18) und (GL 29). In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Parameter einer jeder Driftschicht 16 auch den Gleichungen (GL 27), (Gl 28) und (GL 29) entsprechen. Der Gradienten-Parameter kann dabei zwischen 10 bis 1000 liegen. Bevorzugter Weise liegt der Gradienten-Parameter in einem Bereich zwischen 50 bis 200.
  • An einer der Feld-Stopp-Schicht 64 gegenüberliegenden Seite der Driftschicht 16 sind ein Schottky-Kontakt 66 und JTE-Bereiche 68 ausgebildet. Der Schottky-Kontakt 66, welcher von einer Aluminiumschicht 70 abgedeckt wird, verbindet die beiden JTE-Bereiche 68 miteinander. Die von den Komponenten 66 und 70 nicht abgedeckten Oberflächen der JTE-Bereiche 68 werden von Passivierungen 72 überdeckt. Der Schottky-Kontakt 66 ist somit als bondbarer Vorderseitenkontakt ausgebildet.
  • Ein Herstellungsverfahren für die Driftschicht 16 lässt sich auf einfache Weise in das Herstellungsverfahren für die in 6 dargestellte Halbleitervorrichtung 60 integrieren. Dabei ergeben sich für die Schottky-Diode die oben schon beschriebenen Vorteile. Auf eine Funktionsweise der Schottky-Diode wird deshalb hier nicht eingegangen. Ebenso lässt sich mittels eines entsprechend abgewandelten Herstellungsverfahrens eine Schottky-Diode mit einer vorteilhaften p-dotierten Driftschicht herstellen.
  • Bezugszeichenliste
    • A
    Dotiergasfluss
    dEpi
    Schichtdicke
    Emax
    maximales Feld
    λ
    Gradienten-Parameter
    Nmax
    maximale Flächendotierung
    Nmin
    minimale Flächendotierung
    ρ
    Schichtwiderstand
    S1 bis S9
    Verfahrensschritt
    t
    Zeitverlauf
    VBr
    Durchbruchspannung
    10
    Halbleitervorrichtung
    12
    Substrat
    14
    Drain-Kontakt
    16
    Driftschicht
    18 und 20
    Grenzflächen
    19
    Richtung
    22
    p-dotierte Bereiche
    24
    n-dotierte Bereiche
    26
    Gate-Kontakt
    28
    Source-Kontakt
    30
    Halbleitervorrichtung
    40 und 42
    Halbzellen
    44 und 46
    p-dotierte Schichten
    48
    n-dotierte Schichten
    50
    isolierende Schichten
    60
    Halbleitervorrichtung
    62
    Rückseitenkontakt
    64
    Feld-Stopp-Schicht
    66
    Schottky-Kontakt
    68
    JTE-Bereiche
    70
    Aluminiumschicht
    72
    Passivierungen

Claims (11)

  1. Herstellungsverfahren für ein unipolares Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht (16) mit dem Schritt: Bilden der Driftschicht (16) mit einer kontinuierlich fallenden Konzentration (N(z)) einer Ladungsträger-Dotierung (n) entlang der Wachstumsrichtung (z, 19) der Driftschicht (16) durch epitaktisches Abscheiden eines Materials der Driftschicht (16), welches mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (16) aus dem Wide-Bandgap-Material und der Ladungsträger-Dotierung (n) gebildet wird.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (16) zumindest aus einem Wide-Bandgap-Material mit einer Bandlücke, welche größer als die Bandlücke von Silizium ist, gebildet wird.
  4. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (16) zumindest aus Siliziumkarbid und/oder Galliumnitrid gebildet wird.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (16) mit einer Schichtdicke (dEpi) gebildet wird, welche unter Berücksichtigung einer bevorzugten Sperrspannung (VBr) der Driftschicht (16) und einem bevorzugten maximalen elektrischen Feld (Emax) der Driftschicht (16) festgelegt wird, wobei gilt:
    Figure 00350001
  6. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzfläche (18) der Driftschicht (16) mit einer maximalen Dotierung (N0) gebildet wird, welche unter Berücksichtigung der bevorzugten Sperrspannung (VBr) der Driftschicht (16), dem bevorzugten maximalen elektrischen Feld (Emax) der Driftschicht (16) und einem Gradienten-Parameter (λ) festgelegt wird, wobei gilt:
    Figure 00350002
    und wobei der Gradienten-Parameter (λ) in einem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegt.
  7. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (16) mit einer Konzentration (N(z)) der Ladungsträger-Dotierung (n) entlang der Wachstumsrichtung (z, 19) der Driftschicht (16) gebildet wird, welche unter Berücksichtigung der Schichtdicke (dEpi) der Driftschicht (16), der maximalen Dotierung (N0) der Grenzfläche (18) der Driftschicht (16) und dem Gradienten-Parameter (λ) festgelegt wird, wobei gilt:
    Figure 00350003
    und wobei der Gradienten-Parameter (λ) in dem Bereich zwischen 10 bis 1000 liegt.
  8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Parameter (λ) in einem Bereich zwischen 50 bis 200 liegt.
  9. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich fallende Konzentration (N(z)) der Ladungsträger-Dotierung (n) entlang der Wachstumsrichtung (z, 19) der Driftschicht (16) über ein Variieren eines Gasflusses des mindestens einen Dotierstoffs (A) für die Ladungsträger-Dotierung (n) während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht (16) ausgebildet wird.
  10. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich fallende Konzentration (N(z)) der Ladungsträger-Dotierung (n) entlang der Wachstumsrichtung (z, 19) der Driftschicht (16) über ein Variieren eines Verhältnisses aus einem ersten Gasfluss und einem zweiten Gasfluss während des epitaktischen Abscheidens des Materials der Driftschicht (16) ausgebildet wird, wobei der erste Gasfluss und der zweite Gasfluss das Wide-Bandgap-Material umfassen.
  11. Halbleitervorrichtung (10, 30, 40, 42, 60) mit einem Substratbereich (12); und mit einem unipolaren Halbleiter-Bauelement mit einer Driftschicht (16), welche entlang einer Richtung (z, 19) von einer dem Substratbereich (12) zugewandten ersten Grenzfläche (18) zu einer der ersten Grenzfläche (18) gegenüber liegenden zweiten Grenzfläche (20) eine kontinuierlich fallende Konzentration (N(z)) einer Ladungsträger-Dotierung (n) aufweist, und welche mindestens ein Wide-Bandgap-Material umfasst.
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