EP1010204A1 - Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur - Google Patents

Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur

Info

Publication number
EP1010204A1
EP1010204A1 EP98928113A EP98928113A EP1010204A1 EP 1010204 A1 EP1010204 A1 EP 1010204A1 EP 98928113 A EP98928113 A EP 98928113A EP 98928113 A EP98928113 A EP 98928113A EP 1010204 A1 EP1010204 A1 EP 1010204A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
silicon carbide
semiconductor structure
semiconductor
polytype
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98928113A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold SCHÖRNER
Dietrich Stephani
Dethard Peters
Peter Friedrichs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1010204A1 publication Critical patent/EP1010204A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L29/1608—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H01L29/7396—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
    • H01L29/7397—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H01L29/7813—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors with trench gate electrode, e.g. UMOS transistors

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor structure which contains an interface between a region made of a predetermined ⁇ -silicon carbide polytype and an electrically insulating region, the electrical conductivity in the silicon carbide region being induced at the interface by
  • Such semiconductor structures are e.g. from "IEEE Electronic Electronics Letters", Vol. 1 8, No. 3, March 1991, pages 93 to 95. Furthermore, the invention relates to the use of the aforementioned semiconductor structure.
  • Silicon carbide in monocrystalline form is a semiconductor material with excellent physical properties, which make this semiconductor material appear interesting, particularly for power electronics, especially in power electronics applications due to its low breakthrough field strength and good thermal conductivity. Since the commercial availability of single-crystal substrate wafers, especially those made from 6H and 4H silicon carbide polytypes, has increased, power semiconductor components based on silicon carbide, such as e.g. Silicon carbide Schottky diodes, increasing attention. However, the previously known unipolar silicon carbide power MOSFETs still have problems with regard to important properties, such as the forward resistance.
  • a unipolar MOSFET is presented, for example, which was produced on the basis of a 6H-silicon-carbide wafer by double ion implantation (so-called D-MOSFET).
  • D-MOSFET double ion implantation
  • the current is controlled in a semiconductor region made of silicon carbide with a lateral current flow, the so-called channel zone, which is located in the silicon carbide region at an interface between the silicon carbide semiconductor region and an electrically insulating region (for example S ⁇ 0 2 ).
  • the current is passed vertically through the component in a second silicon carbide semiconductor region, the so-called drift zone.
  • the 4H-silicon carbide polytype with a volume conductivity Tuning mobility of the free charge carriers of about 800 cm 2 V -1 s ⁇ clearly has an advantage over 6H-Silicum carbide, which only has a mobility of about 100 cnXXs -1 .
  • the influence of the polytype selection on the second influencing variable which is decisive for the forward resistance is not taken into account here, namely the conductivity m of the channel zone, which, apart from geometrical variables, is essentially determined by the properties of the boundary layer between the silicon carbide semiconductor region and the electrically insulating region.
  • the invention is based on the object of designing the semiconductor structure with the features mentioned at the outset in such a way that improved properties, in particular an improved forward resistance, result compared to the prior art.
  • the invention is based on the knowledge that the distribution of the electrically effective defects (traps) at the interface between a semiconductor region and an electrically insulating region determines the conductivity of the semiconductor at the interface and thus essentially the forward resistance of the complete semiconductor structure.
  • Studies on silicon carbide have shown that, regardless of the polytype, an energetic band of high defect density forms, which is at a fixed energetic distance from the valence band. This band has an energetically comparatively sharply defined lower edge, which is approximately 2.9 eV above the valence band edge.
  • the selection of the polytype according to the invention ensures that the defect band is energetically within the conduction band and thus has a significantly lower influence on the conductivity than is the case with the polytypes with a higher bandgap commonly used.
  • the ⁇ -silicon carbide polytype is selected in accordance with the invention, advantageous semiconductor structures are obtained with the features mentioned in the preamble, which have improved properties compared to the prior art.
  • the on-resistance can be advantageous, e.g. can be reduced by a factor of 20.
  • the ⁇ -silicon carbide semiconductor region has a band gap which is at least 5 meV smaller than the 6H-silicon carbide polytype.
  • the rhomboed ⁇ ⁇ -silicon carbide polytypes are particularly advantageous, in particular the 15R type or the 21R type.
  • 15R-silicon carbide has a band gap of 2.79 eV at room temperature, which is therefore below the comparison value of 6H-S1I1-cium carbide (2.91 eV) according to the invention.
  • the 4H or 6H silicon carbide polytypes excluded according to the invention are not suitable polytypes due to their high bandgap of 3.15 eV (4H silicon carbide) and 2.91 eV (6H silicon carbide), although they have so far been used in the area of silicon carbide performance electronics have been used almost exclusively for reasons of commercial availability.
  • Another advantageous embodiment takes advantage of the fact that in order to achieve the advantageous conductivity at the interface, only a narrow semiconductor region in the immediate vicinity of the electrically insulating region has to be formed from the claimed ⁇ -silicon carbide polytype.
  • Semiconductor regions which are adjacent to this narrow region can thus consist either of the same or at least partially of a different silicon carbide polytype or also of a different semiconductor material than silicon carbide or of a complex structure with at least one semiconductor material other than silicon carbide .
  • the semiconductor structure according to the invention can be designed as a MOSFET structure, in particular as a D-MOSFET structure or as a U-MOSFET structure, or as an IGBT structure. Such Structures are often used in power electronics.
  • the semiconductor structure according to the invention is used to construct a semiconductor component or a complex semiconductor circuit.
  • D-MOSFET components such as the semiconductor structure indicated in the figure and designated HS, are important unipolar power components.
  • the current is controlled by means of a lateral current flow I L and on the other hand in the drift zone composed of a silicon carbide semiconductor layer 3 and a silicon carbide substrate 2 it is guided through the component by means of a vertical current flow I.
  • vertical current flow is understood to mean a current flow in a direction that is perpendicular to an interface 20 of the silicon carbide semiconductor layer 3.
  • lateral is understood to mean a direction that runs parallel to a direction within this interface 20.
  • One of the determining variables for the forward resistance of the D-MOSFET component is the conductivity in the area of the lateral current conduction I L , the so-called channel. In the switched-on state, these channels are formed as regions of larger base regions 11 adjacent to interfaces 20 due to induced charges.
  • the decisive interfaces 20 are shown in the figure by a stronger line. highlighted.
  • the semiconductor structure is located precisely in these areas of the D-MOSFET component. At least this region of the base region 11 near the interface, which adjoins the electrically insulating region formed by a first oxide layer 13a, consists of an ⁇ -silicon carbide polytype with a smaller band gap than that of 6H silicon carbide. For example, a 15R silicon carbide poly type is suitable.
  • the electrically insulating region arranged above the base region 11 can, as in the exemplary embodiment shown in the figure, be constructed from only a single layer. According to other advantageous embodiments, however, several layers, preferably also made of different materials, can be provided for this area.
  • the first oxide layer 13a shown in the figure, the so-called gate oxide can advantageously consist of SiO 2 material, in particular thermal SiO 2 material. In other embodiments, however, this layer can also consist of a non-oxide, electrically insulating material, in particular of SiN 4 .
  • Source regions are denoted by 10, base regions by 11, base contact regions by 12, a first oxide layer by 13a, a second oxide layer by 13b, a gate electrode by 14, a source electrode by 15 and a drain electrode by 16.
  • the second oxide layer 13b (insulating oxide) serves for insulation between the gate electrode 14 and the source electrode 15 and consists of an SiO 2 deposited by means of an LPCVD process (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • Each base region 11 is implanted as a 15R silicon carbide semiconductor region in a silicon carbide layer 3 grown epitaxially on a silicon carbide substrate 2 and is doped in the opposite way to the silicon carbide layer 3.
  • the pn junctions 17 each formed between the base regions 11 and the silicon carbide layer 3 essentially absorb the reverse voltage when the D-MOSFET component is blocked.
  • At least one source region 10 is implanted in each base region 11, which is doped opposite to the base region 11 and therefore forms a pn junction 18 with the associated base region 11.
  • Each source region 10 is electrically short-circuited with the associated base region 11 via the source electrode.
  • the base regions 11 are preferably doped with boron and consequently p-type.
  • they can be more heavily doped and thus p + -le ⁇ tend.
  • the source regions 10 and the silicon carbide layer 3 are preferably doped with nitrogen and thus n-type.
  • the drain electrode 16 is arranged on the side of the silicon carbide substrate 2 facing away from the silicon carbide layer 3.
  • the silicon carbide substrate 2 can also be provided with an implanted, highly doped dramatic region.
  • the D-MOSFET thus has a vertical structure.
  • the silicon carbide substrate 2 m in the illustrated embodiment is of the same conductivity type as the grown silicon carbide layer 3, then there is a MOSFET structure.
  • the silicon carbide substrate 2 is of the opposite conductivity type as the silicon carbide layer 3, an additional pn junction between the source electrode 15 and the drain electrode 16 is connected between the layer 3 and the substrate 2 e. Then there is an IGBT structure.

Abstract

Die Halbleiterstruktur (HS) enthält mindestens einen alpha -Siliciumcarbidbereich (3, 10, 11) und einen elektrisch isolierenden Bereich (13a), z.B. aus einer Oxidschicht, sowie eine dazwischenliegende Grenzfläche (20). Durch Auswahl eines alpha -Siliciumcarbid-Polytyps mit einem kleineren Bandabstand als der des 6H-Siliciumcarbid-Polytyps für zumindest einen grenzflächennahen Bereich wird eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit in diesem Bereich erreicht.

Description

Beschreibung
HALBLEITERSTRUKTUR MIT EINEM ALPHA-SILIZIUMCARBIDBEREICH SOWIE VERWENDUNG DIESER HALBLEΠΈRSTRUKTUR
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterstruktur, die eine Grenzflache zwischen einem Bereich aus einem vorbestimmten α-Siliciumcarbid-Polytyp und einem elektrisch isolierenden Bereich enthalt, wobei die elektrische Leitfähigkeit im Siliciumcarbidbereich an der Grenzflache durch induzierte
Ladungen veränderbar ist. Derartige Halbleiterstrukturen sind z.B. aus „ IEEE El ectron Devi ce Let ters " , Vol . 1 8, No . 3 , März 1991 , Sei ten 93 bis 95, bekannt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der vorgenannten Halbleiter- Struktur.
Siliciumcarbid m einkristalliner Form ist ein Halbleiter- material mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften, die dieses Halbleitermateπal unter anderem aufgrund seiner nohen Durchbruchfeldstarke und seiner guten thermischen Leitfähigkeit besonders für die Leistungselektronik auch noch bei Anwendungen im kV-Bereich interessant erscheinen lassen. Da die kommerzielle Verfügbarkeit einkristallmer Substratwafer speziell aus 6H- und 4H-Sιlιcιumcarbιd-Polytypen gestiegen ist, finden nun auch Leistungshalbleiterbauelemente auf Sili- ciu carbidbasis, wie z.B. Siliciumcarbid-Schottky-Dioden, zunehmend an Beachtung. Bei den bislang bekannten unipolaren Siliciumcarbid-Leistungs-MOSFETs bestehen jedoch noch Probleme, was wichtige Eigenschaften, wie etwa den Durchlaß- widerstand, betrifft.
Im folgenden wird des öfteren von Bandabstanden von Silicium- carbid-Polytypen die Rede sein. Es versteht sich dabei, daß die für den Vergleich heranzuziehenden Bandabstandswerte unter der Prämisse gleicher Praparations-, Meß- sowie Umgebungsbedingungen zu ermitteln sind. Die im folgenden genannten diesbezüglichen Werte gelten jeweils für Raumtemperatur. In „Properties of Silicon Carbide " , edi ted by G. L . Harri s , Verlag INSPEC, London, GB, 1995, Sei ten 74 -80 sind die
Bandabstande bei einer Temperatur von 4 K für verschiedene Siliciumcarbid-Polytypen dokumentiert .
In IEEE Electron Device Letters, Vol. 18, No . 3, März 1997, Seiten 93 bis 95, wird z.B. ein unipolarer MOSFET vorgestellt, der auf Basis eines 6H-Sιlιcιumcarbιd-Wafers durch eine doppelte Ionenimplantation hergestellt wurde (sogenannte D-MOSFET) . Bei einem derartigen D-MOSFET wird der Strom m einem Halbleiterbereich aus Siliciumcarbid mit lateralem Stromfluß, der sogenannten Kanalzone, die sich im Silicium- carbidbereich an einer Grenzflache zwischen dem Silicium- carbidhalbleiterbereich und einem elektrisch isolierenden Bereich (z.B. Sι02) befindet, gesteuert. Im Anschluß daran wird der Strom m einem zweiten Siliciumcarbidhalbleiter- bereich, der sogenannten Driftzone, vertikal durch das Bauelement gefuhrt.
Mit dem vorgestellten D-MOSFET konnte gegenüber dem Stand der Technik bereits eine Verbesserung m bezug auf den Durchlaß- widerstand erzielt werden. Weitere Verbesserungen speziell des Durchlaßwiderstandes, der im wesentlichen von der Leitfähigkeit der Kanal- und der Driftzone abhangt, werden m „IEEE Electron Device Letters", Vol. 18, No . 3, März 1997, Seiten 93 bis 95 durch einen Mateπalwechsel vom 6H-Sιlιcιum- carbid-Polytyp auf den 4H-Sιlιcιumcarbιd-Polytyp m Aussicht gestellt. Diese Aussage basiert dabei auf Überlegungen, die lediglich die (Volumen) -Leitfähigkeit m der Driftzone m Betracht ziehen. Bei einem vertikalen Stromfluß m Richtung der kristallographischen c-Achse ist hier der 4H-Sιlιcιum- carbid-Polytyp mit einer die Volumenleitfahigkeit be- stimmenden Beweglichkeit der freien Ladungsträger von etwa 800 cm2V-1s~ deutlich im Vorteil gegenüber 6H-Sιlιcιumcarbιd, das lediglich eine Beweglichkeit von etwa 100 cnXXs-1 aufweist. Unberücksichtigt bleibt hierbei jedoch der Einfluß der Polytypenauswahl auf die zweite für den Durchlaßwiderstand maßgebliche Einflußgroße, nämlich die Leitfähigkeit m der Kanalzone, die außer durch geometrische Großen wesentlich durch die Eigenschaften der Grenzschicht zwischen dem Sili- ciumcarbidhalbleiterbereich und dem elektrisch isolierenden Bereich bestimmt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Halbleiter- struktur mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß gegenüber dem Stand der Technik verbes- serte Eigenschaften, insbesondere ein verbesserter Durchlaßwiderstand, resultieren.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. Für den Silic u carbidbereich ist ein vom 4H- und 6H- verschiedener α-Siliciumcarbid-Polytyp vorgesehen, dessen Bandabstand höchstens dem des 6H-Sιlιcιumcarbιd- Polytyps entspricht.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die Ver- teilung der elektrisch wirksamen Defekte (Haftstellen) an der Grenzflache zwischen einem Halbleiterbereich und einem elektrisch isolierenden Bereich die Leitfähigkeit des Halbleiters an der Grenzflache und somit wesentlich den Durchlaßwiderstand der kompletten Halbleiterstruktur bestimmt. Unter- suchungen an Siliciumcarbid haben gezeigt, daß sich unabhängig vom Polytyp ein energetisches Band hoher Defektdichte ausbildet, welches sich im festen energetischen Abstand zum Valenzband befindet. Dieses Band hat eine energetisch ver- altnismaßig scharf begrenzte Unterkante, die bei ca. 2,9 eV oberhalb der Valenzbandkante liegt. Da die energetische Lage des Valenzbandes bei Siliciumcarbid unabhängig vom Polytyp ist, gewährleistet die erfmdungsgemaße Auswahl des Polytyps, daß das Defektband energetisch innerhalb des Leitungsbandes liegt und somit die Leitfähigkeit deutlich geringer beem- flußt, als das bei den üblicherweise verwendeten Polytypen mit höherem Bandabstand der Fall ist.
Bei erfmdungsgemaßer Auswahl des α-Siliciumcarbid-Polytyps ergeben sich vorteilhafte Halbleiterstrukturen mit den im Oberbegriff genannten Merkmalen, die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann der Durchlaßwiderstand vorteilhaft, z.B. um den Faktor 20, reduziert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfmdungsgemaßen Halblei- tertruktur gehen aus den abhangigen Patentansprüchen hervor. Als besonders vorteilhaft sind die nachfolgend angesprochenen Ausfuhrungsformen anzusehen.
Bei der Halbleiterstruktur besitzt der α-Siliciumcarbidhalb- leiterbereich einen um mindestens 5 meV kleineren Bandabstand als der 6H-Sιlιcιumcarbιd-Polytyp . Besonders vorteilhaft sind d e rhomboedπschen α-Siliciumcarbid-Polytypen (R-Typ) , insbesondere der 15R-Typ oder der 21R-Typ. 15R-Sιlιcιumcarbιd besitzt bei Raumtemperatur einen Bandabstand von 2,79 eV, der somit unter dem erfmdungsgemaßen Vergleichswert von 6H-S1I1- ciumcarbid (2,91 eV) liegt. Die erfmdungsgemäß ausgeschlossenen 4H- bzw. 6H-Sιlιcιumcarbιd-Polytypen sind aufgrund ihrer hohen Bandabstande von 3,15 eV (4H-Sιlιcιumcarbιd) und von 2,91 eV ( 6H-Sιlιcιumcarbιd) keine geeigneten Polytypen, trotzdem sie bislang im Bereich der Siliciumcarbidleistungs- elektronik aus Gründen der kommerziellen Verfügbarkeit praktisch ausschließlich eingesetzt worden sind. Vorteilhafte Ladungstragerbeweglichkeiten senkrecht zur kristallographi- sehen c-Achse im Bereich der Grenzfläche (Kanalzone) der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur ergeben sich somit für den 15R-Siliciumcarbid-Polytyp (> 40 crnXX"1) , wohingegen die entsprechenden Werte für 4H-Siliciumcarbid (< 1 cm2V_1s-1) und für 6H-Siliciumcarbid (> 20 cm2V_1s_1) deutlich niedriger liegen. Bislang wurde die Ladungsträgerbeweglichkeit in der sich anschließenden Driftzone durch das Substratvolumen parallel zur kristallographischen c-Achse, die mit 800 cm2V-1s~" bei 4H-Siliciumcarbid im Vergleich zu 330 cm2V_1s_1 bei 15R- Siliciumcarbid günstiger liegt, als maßgeblich für den
Durchlaßwiderstand erachtet. Trotzdem ergibt sich jedoch aufgrund der beschriebenen Grenztlächeneinflüsse auf die Ladungsträgerbeweglichkeit in der Kanalzone für 4H-Silicium- carbid ein um den Faktor 20 höherer Durchlaßwiderstand als für 15R-Siliciumcarbid.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform nutzt die Tatsache aus, daß zur Erzielung der vorteilhaften Leitfähigkeit an der Grenzfläche nur ein schmaler Halbleiterbereich in unmittel- barer Nachbarschaft zum elektrisch isolierenden Bereich aus dem beanspruchten α-Siliciumcarbid-Polytyp ausgebildet sein muß. Halbleiterbereiche, die sich im Anschluß an diesen schmalen Bereich befinden, können somit entweder aus dem gleichen oder zumindest teilweise aus einem anderen Silicium- carbid-Polytyp oder auch aus einem anderen Halbleitermaterial als Siliciumcarbid oder aus einem komplexen Aufbau mit mindestens einem anderen Halbleitermaterial als Siliciumcarbid bestehen.
Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform als eine MOSFET-Struktur, insbesondere als D-MOSFET-Struktur oder als U-MOSFET-Struk- tur, oder als IGBT-Struktur ausgebildet sein. Derartige Strukturen werden häufig in der Leistungselektronik eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn man die erfin- dungsgemäße Halbleiterstruktur zum Aufbau eines Halbleiterbauelementes oder einer komplexen Halbleiterschaltung verwendet .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur einen D-MOSFET schematisch darstellt.
D-MOSFET-Bauelemente, wie die in der Figur angedeutete und mit HS bezeichnete Halbleiterstruktur, sind wichtige uni- polare Leistungsbauelemente. Bei solchen Bauelementen wird zum einen der Strom mittels eines lateralen Stromflusses IL gesteuert und zum anderen in der sich aus einer Silicium- carbidhalbleiterschicht 3 und einem Siliciumcarbidsubstrat 2 zusammensetzenden Driftzone mittels eines vertikalen Stro - flusses I durch das Bauelement geführt.
Unter vertikalem Stromfluß ist in diesem Zusammenhang ein Stromfluß in eine Richtung , die senkrecht zu einer Grenzfläche 20 der Siliciumcarbidhalbleiterschicht 3 verläuft, zu verstehen. Entsprechend ist unter lateral eine Richtung zu verstehen, die parallel zu einer Richtung innerhalb dieser Grenzfläche 20 verläuft.
Eine der bestimmenden Größen für den Durchlaßwiderstand des D-MOSFET-Bauelementes ist die Leitfähigkeit im Bereich der lateralen Stromführung IL, dem sogenannten Kanal. Diese Kanäle bilden sich im eingeschalteten Zustand aufgrund induzierter Ladungen als zu Grenzflächen 20 benachbarte Bereiche größerer Basisgebiete 11 aus. Die entscheidenden Grenzflächen 20 sind in der Figur durch eine stärkere Strichführung her- vorgehoben. Die Halbleiterstruktur befindet sich genau in diesen Bereichen des D-MOSFET-Bauelementes . Mindestens dieser grenzflächennahe Bereich des Basisgebietes 11, der an den durch eine erste Oxidschicht 13a ausgebildeten elektrisch isolierenden Bereich angrenzt, besteht aus einem α-Silicium- carbid-Polytyp mit einem kleineren Bandabstand als der von 6H-Siliciumcarbid. Z.B. ist ein 15R-Siliciumcarbid-Polytyp geeignet. Damit ist zu gewährleisten, daß sich die gewünschte vorteilhaft hohe Kanalleitfähigkeit und als Folge davon der niedrige Durchlaßwiderstand der Struktur einstellt. Der über dem Basisgebiet 11 angeordnete elektrisch isolierende Bereich kann wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Figur nur aus einer einzigen Schicht aufgebaut sein. Gemäß anderer vorteilhafter Ausführungsformen können jedoch für diesen Bereich auch mehrere Schichten, vorzugsweise auch aus verschiedenen Materialien, vorgesehen werden. Die in der Figur dargestellte erste Oxidschicht 13a, das sogenannte Gateoxid, kann vorteilhaft aus Si02-Material, insbesondere thermischem Si02-Material, bestehen. Diese Schicht kann aber auch in an- deren Ausführungsformen aus einem nichtoxidischen elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus SiN4, bestehen.
Im folgenden wird die Funktionsweise des D-MOSFET-Bauelementes von Figur 1 näher erläutert. Es sind Sourcegebiete mit 10, Basisgebiete mit 11, Basiskontaktgebiete mit 12, eine erste Oxidschicht mit 13a, eine zweite Oxidschicht mit 13b, eine Gateelektrode mit 14, eine Sourceelektrode mit 15 und eine Drainelektrode mit 16 bezeichnet. Die zweite Oxidschicht 13b (Isolieroxid) dient zur Isolation zwischen Gateelektrode 14 und Sourceelektrode 15 und besteht aus einem mittels eines LPCVD-Verfahrens (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) abgeschiedenen Si02. Jedes Basisgebiet 11 ist als 15R-Silicium- carbidhalbleitergebiet in eine epitaktisch auf einem Sili- ciumcarbidsubstrat 2 aufgewachsene Siliciumcarbidschicht 3 implantiert und ist entgegengesetzt dotiert zur Silicium- carbidschicht 3. Die zwischen den Basisgebieten 11 und der Siliciumcarbidschicht 3 jeweils gebildeten pn-Ubergange 17 nehmen im Sperrfall des D-MOSFET-Bauelementes im wesentlichen die Sperrspannung auf. In jedes Basisgebiet 11 ist wenigstens em Sourcegebiet 10 implantiert, das entgegengesetzt zum Basisgebiet 11 dotiert ist und deshalb mit dem zugehörigen Basisgebiet 11 jeweils einen pn-Ubergang 18 bildet. Jedes Sourcegebiet 10 ist m t dem zugehörigen Basisgebiet 11 über die Sourceelektrode elektrisch kurzgeschlossen. Die Basis- gebiete 11 sind vorzugsweise mit Bor dotiert und folglich p-leitend. Sie können überdies für eine höhere Latch-up- Festigkeit unterhalb des Sourcegebietes 10 und im Basis- kontaktgebiet 12 an der Sourceelektrode 15 durch zusatz liehe Implantation von Aluminium starker dotiert und somit p+-leιtend sein. Die Sourcegebiete 10 und die Siliciumcarbidschicht 3 sind vorzugsweise mit Stickstoff dotiert und somit n-leitend. Die Drainelektrode 16 ist an der von der Siliciumcarbidschicht 3 abgewandten Seite des Siliciumcarbidsubstrats 2 angeordnet. Insbesondere kann dem Sil ciumcarbidsubstrat 2 noch e implantiertes hoher dotiertes Dramgebiet vorgesehen sein. Der D-MOSFET hat somit einen vertikalen Aufbau.
Wenn das Siliciumcarbidsubstrat 2 m der dargestellten Ausfuhrungsform vom gleichen Leitungstyp wie die aufgewachsene Siliciumcarbidschicht 3 ist, so liegt eine MOSFET-Struktur vor. Ist das Siliciumcarbidsubstrat 2 dagegen vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Siliciumcarbidschicht 3, so wird zwischen Schicht 3 und Substrat 2 e zusätzlicher pn- Ubergang zwischen Sourceelektrode 15 und Drainelektrode 16 geschaltet. Dann liegt eine IGBT-Struktur vor.
Es versteht sich, daß die Leitungstypen aller genannten Halb- leitergebiete auch jeweils vertauscht werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterstruktur, die eine Grenzfläche zwischen einem Bereich aus einem vorbestimmten α-Siliciumcarbid-Polytyp und einem elektrisch isolierenden Bereich enthält, wobei die elektrische Leitfähigkeit im Siliciumcarbidbereich an der Grenzfläche durch induzierte Ladungen veränderbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für den Siliciumcarbidbereich (3, 10, 11,) ein vom 4H- und 6H- ver- schiedener α-Siliciumcarbid-Polytyp vorgesehen ist, dessen Bandabstand höchstens dem des 6H-Siliciumcarbid-Polytyps entspricht .
2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für den α-Siliciumcarbid- bereich ein Polytyp gewählt ist, dessen Bandabstand gegenüber dem des 6H-Siliciumcarbid-Polytyps kleiner, vorzugsweise um mindestens 5 meV, ist.
3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der α-Siliciumcarbid- Polytyp ein R-Typ ist.
4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der R-Typ ein 15R-Typ oder ein 21R-Typ ist.
5. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der elek- trisch isolierende Bereich durch mehrere Schichten, vorzugsweise aus verschiedenen Materialien, gebildet ist.
6. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für den elektrisch isolierenden Bereich (13a) ein oxidisches Material vorgesehen ist.
7. Halbleiterstruktur nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als oxidisches Material Si02 vorgesehen ist.
8. Halbleiterstruktur nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Si02-Material ein thermisches Si02 vorgesehen ist.
9. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Aufbau mit dem gleichen α-Siliciumcarbid-Polytyp .
10. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Aufbau mit zumindest einem α-Siliciumcarbid-Polytyp .
11. Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Ausbildung als eine MOSFET-Struktur oder als eine IGBT-Struktur .
12. Halbleiterstruktur nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die MOSFET-Struktur als D- oder U-MOSFET-Struktur ausgebildet ist.
13. Verwendung der Halbleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Aufbau eines Halbleiterbauelements oder einer Halbleiterschaltung.
EP98928113A 1997-08-20 1998-04-01 Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur Withdrawn EP1010204A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19736211 1997-08-20
DE19736211 1997-08-20
PCT/DE1998/000931 WO1999009598A1 (de) 1997-08-20 1998-04-01 Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1010204A1 true EP1010204A1 (de) 2000-06-21

Family

ID=7839610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP98928113A Withdrawn EP1010204A1 (de) 1997-08-20 1998-04-01 Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6316791B1 (de)
EP (1) EP1010204A1 (de)
CN (1) CN1267397A (de)
WO (1) WO1999009598A1 (de)

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6972436B2 (en) * 1998-08-28 2005-12-06 Cree, Inc. High voltage, high temperature capacitor and interconnection structures
US6956238B2 (en) * 2000-10-03 2005-10-18 Cree, Inc. Silicon carbide power metal-oxide semiconductor field effect transistors having a shorting channel and methods of fabricating silicon carbide metal-oxide semiconductor field effect transistors having a shorting channel
US7067176B2 (en) 2000-10-03 2006-06-27 Cree, Inc. Method of fabricating an oxide layer on a silicon carbide layer utilizing an anneal in a hydrogen environment
US6767843B2 (en) * 2000-10-03 2004-07-27 Cree, Inc. Method of N2O growth of an oxide layer on a silicon carbide layer
KR100885757B1 (ko) * 2000-10-03 2009-02-26 크리 인코포레이티드 Ｎ2ｏ를 이용하여 실리콘 카바이드층 위에 산화막을제조하는 방법
US6528373B2 (en) * 2001-02-12 2003-03-04 Cree, Inc. Layered dielectric on silicon carbide semiconductor structures
US7022378B2 (en) * 2002-08-30 2006-04-04 Cree, Inc. Nitrogen passivation of interface states in SiO2/SiC structures
US7221010B2 (en) 2002-12-20 2007-05-22 Cree, Inc. Vertical JFET limited silicon carbide power metal-oxide semiconductor field effect transistors
US6979863B2 (en) * 2003-04-24 2005-12-27 Cree, Inc. Silicon carbide MOSFETs with integrated antiparallel junction barrier Schottky free wheeling diodes and methods of fabricating the same
US7074643B2 (en) * 2003-04-24 2006-07-11 Cree, Inc. Silicon carbide power devices with self-aligned source and well regions and methods of fabricating same
US7118970B2 (en) 2004-06-22 2006-10-10 Cree, Inc. Methods of fabricating silicon carbide devices with hybrid well regions
US7391057B2 (en) * 2005-05-18 2008-06-24 Cree, Inc. High voltage silicon carbide devices having bi-directional blocking capabilities
US20060261346A1 (en) * 2005-05-18 2006-11-23 Sei-Hyung Ryu High voltage silicon carbide devices having bi-directional blocking capabilities and methods of fabricating the same
US7615801B2 (en) * 2005-05-18 2009-11-10 Cree, Inc. High voltage silicon carbide devices having bi-directional blocking capabilities
US7414268B2 (en) 2005-05-18 2008-08-19 Cree, Inc. High voltage silicon carbide MOS-bipolar devices having bi-directional blocking capabilities
US7528040B2 (en) * 2005-05-24 2009-05-05 Cree, Inc. Methods of fabricating silicon carbide devices having smooth channels
US7727904B2 (en) * 2005-09-16 2010-06-01 Cree, Inc. Methods of forming SiC MOSFETs with high inversion layer mobility
US7728402B2 (en) 2006-08-01 2010-06-01 Cree, Inc. Semiconductor devices including schottky diodes with controlled breakdown
US8432012B2 (en) 2006-08-01 2013-04-30 Cree, Inc. Semiconductor devices including schottky diodes having overlapping doped regions and methods of fabricating same
WO2008020911A2 (en) 2006-08-17 2008-02-21 Cree, Inc. High power insulated gate bipolar transistors
US8835987B2 (en) 2007-02-27 2014-09-16 Cree, Inc. Insulated gate bipolar transistors including current suppressing layers
US8232558B2 (en) 2008-05-21 2012-07-31 Cree, Inc. Junction barrier Schottky diodes with current surge capability
US8288220B2 (en) 2009-03-27 2012-10-16 Cree, Inc. Methods of forming semiconductor devices including epitaxial layers and related structures
US8294507B2 (en) 2009-05-08 2012-10-23 Cree, Inc. Wide bandgap bipolar turn-off thyristor having non-negative temperature coefficient and related control circuits
US8193848B2 (en) 2009-06-02 2012-06-05 Cree, Inc. Power switching devices having controllable surge current capabilities
US8629509B2 (en) 2009-06-02 2014-01-14 Cree, Inc. High voltage insulated gate bipolar transistors with minority carrier diverter
US8541787B2 (en) 2009-07-15 2013-09-24 Cree, Inc. High breakdown voltage wide band-gap MOS-gated bipolar junction transistors with avalanche capability
US8354690B2 (en) 2009-08-31 2013-01-15 Cree, Inc. Solid-state pinch off thyristor circuits
US9117739B2 (en) 2010-03-08 2015-08-25 Cree, Inc. Semiconductor devices with heterojunction barrier regions and methods of fabricating same
US8415671B2 (en) 2010-04-16 2013-04-09 Cree, Inc. Wide band-gap MOSFETs having a heterojunction under gate trenches thereof and related methods of forming such devices
US8823089B2 (en) * 2011-04-15 2014-09-02 Infineon Technologies Ag SiC semiconductor power device
US9142662B2 (en) 2011-05-06 2015-09-22 Cree, Inc. Field effect transistor devices with low source resistance
US9029945B2 (en) 2011-05-06 2015-05-12 Cree, Inc. Field effect transistor devices with low source resistance
US9984894B2 (en) 2011-08-03 2018-05-29 Cree, Inc. Forming SiC MOSFETs with high channel mobility by treating the oxide interface with cesium ions
US9373617B2 (en) 2011-09-11 2016-06-21 Cree, Inc. High current, low switching loss SiC power module
US8680587B2 (en) 2011-09-11 2014-03-25 Cree, Inc. Schottky diode
EP2754177A1 (de) 2011-09-11 2014-07-16 Cree, Inc. Strommodul mit hoher stromdichte und transistoren mit verbesserter konzeption
US8664665B2 (en) 2011-09-11 2014-03-04 Cree, Inc. Schottky diode employing recesses for elements of junction barrier array
US9640617B2 (en) 2011-09-11 2017-05-02 Cree, Inc. High performance power module
US8618582B2 (en) 2011-09-11 2013-12-31 Cree, Inc. Edge termination structure employing recesses for edge termination elements
JP6219044B2 (ja) 2013-03-22 2017-10-25 株式会社東芝 半導体装置およびその製造方法
JP6230323B2 (ja) * 2013-08-01 2017-11-15 株式会社東芝 半導体装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63262871A (ja) * 1987-04-21 1988-10-31 Sharp Corp 炭化珪素ｍｏｓ構造及びその製造方法
US5459107A (en) * 1992-06-05 1995-10-17 Cree Research, Inc. Method of obtaining high quality silicon dioxide passivation on silicon carbide and resulting passivated structures
US5506421A (en) 1992-11-24 1996-04-09 Cree Research, Inc. Power MOSFET in silicon carbide
SE9404452D0 (sv) * 1994-12-22 1994-12-22 Abb Research Ltd Semiconductor device having an insulated gate
US5510281A (en) * 1995-03-20 1996-04-23 General Electric Company Method of fabricating a self-aligned DMOS transistor device using SiC and spacers
SE9700215L (sv) * 1997-01-27 1998-02-18 Abb Research Ltd Förfarande för framställning av ett halvledarskikt av SiC av 3C-polytypen ovanpå ett halvledarsubstratskikt utnyttjas wafer-bindningstekniken

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9909598A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US6316791B1 (en) 2001-11-13
CN1267397A (zh) 2000-09-20
WO1999009598A1 (de) 1999-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1010204A1 (de) Halbleiterstruktur mit einem alpha-siliziumcarbidbereich sowie verwendung dieser halbleiterstruktur
DE3122768C2 (de)
EP0772889B1 (de) Halbleiterbauelement mit hochsperrendem randabschluss
EP1408554B1 (de) Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement
EP0886883B1 (de) Elektronische einrichtung zum schalten elektrischer ströme, für hohe sperrspannungen und mit geringen durchlassverlusten
DE102007023885B4 (de) Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung vom Graben-MOS-Typ und Verfahren zur Herstellung derselben
DE102004022455B4 (de) Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode
DE102013010245A1 (de) Halbleitervorrichtung
DE69828588T2 (de) Struktur zur erhöhung der maximalen spannung von siliziumkarbid-leistungstransistoren
DE2455730B2 (de) Feldeffekt-Transistor
DE19641839A1 (de) Halbleiter-Bauteil
DE19701189A1 (de) Halbleiterbauteil
EP0748520B1 (de) Mis-struktur auf siliciumcarbid-basis mit hoher latch-up-festigkeit
DE19712561C1 (de) SiC-Halbleiteranordnung mit hoher Kanalbeweglichkeit
EP0760528A2 (de) Halbleiterbauelement auf Siliciumbasis mit hochsperrendem Randabschluss
DE3440674A1 (de) Feldeffekt-transistor
DE112017003513B4 (de) Halbleitereinheit und Verfahren zur Herstellung derselben
DE112006001280B4 (de) Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
WO1998019342A1 (de) Steuerbare halbleiterstruktur mit verbesserten schalteigenschaften
DE69930715T2 (de) Elektronische Halbleiterleistung mit integrierter Diode
EP1097482B1 (de) J-fet-halbleiteranordnung
DE3526826A1 (de) Statischer induktionstransistor und denselben enthaltenden integrierte schaltung
DE69937665T2 (de) Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate und dessen Betriebsverfahren
DE10203820A1 (de) Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE2823629C2 (de) Planar-Halbleitervorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20000218

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH DE FI FR GB IE IT LI NL PT SE

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SICED ELECTRONICS DEVELOPMENT GMBH & CO. KG

17Q First examination report despatched

Effective date: 20010518

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20080118