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1. WO2020221517 - SEMICONDUCTOR COMPONENT AND METHOD FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR COMPONENT

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[ DE ]

Beschreibung

Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.

Stand der Technik

Halbleiterbauelemente auf Siliziumkarbid weisen eine etwa siebenfach höhere Durchbruchfestigkeit auf als Halbleiterbauelemente auf Silizium. Somit ist die Abschirmung des Gateoxids vor hohen Feldstärken bei hohen positiven

Spannungen zwischen Drain und Source im Sperrbetrieb notwendig. Die Ströme im Kurzschlussfall sind bei Siliziumkarbidsubstraten aufgrund der hohen

Dotierung der Epitaxieschicht und der geringen Dicke der Epitaxieschicht hoch, sodass sie begrenzt werden müssen. Mit Hilfe von eigens dafür eingebrachten tiefen p-dotierten Gebieten, die einen ausgeprägten JFET-Effekt bilden, d. h. der Strompfad wird mit zunehmender Spannung abgeschnürt, wird sowohl das elektrische Feld im Sperrfall abgeschirmt als auch der Strom im Kurzschlußfall begrenzt.

Die tief eingebrachten, strukturierten p-dotierten Gebiete werden mit Hilfe von Hochenergie-Implantation erzeugt. Dabei erstreckt sich die Implantation über das Bodygebiet bis in die Epitaxieschicht hinaus, sodass das Gateoxid vor den hohen elektrischen Feldstärken abgeschirmt werden kann. Für die Erzeugung der tiefen p-dotierten Gebiete sind Energien größer als 1 MeV notwendig. Dies verursacht nicht nur hohe Fertigungskosten, sondern kann starke Beschädigungen des Halbleiterkristalls, sowie laterale lonentreuung zu Lasten des Pitchmaßes hervorrufen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Das Halbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine erste Seite aufweist auf der eine Epitaxieschicht angeordnet ist. Auf der Epitaxieschicht sind bereichsweise Bodygebiete angeordnet. Auf den Bodygebieten sind

Sourcegebiete angeordnet. Ausgehend von den Sourcegebieten erstrecken sich eine Vielzahl von ersten Gräben und eine Vielzahl von zweiten Gräben bis in die Epitaxieschicht. Die ersten Gräben weisen eine größere Tiefe auf als die zweiten Gräben. Es erstreckt sich jeweils ein zweiter Graben bereichsweise in einen ersten Graben. Erfindungsgemäß ist auf einer Grabenoberfläche der ersten Gräben jeweils eine Schicht mit einer ersten Dotierungskonzentration

angeordnet. Die ersten Gräben sind mit einem ersten Material verfüllt, wobei das erste Material eine zweite Dotierungskonzentration aufweist. Die erste

Dotierungskonzentration weist einen höheren Wert auf als die zweite

Dotierungskonzentration.

Der Vorteil ist hierbei, dass das Halbleiterbauelement niedrige Gate-Drain-Kapazitäten, eine hohe Sperrfestigkeit und eine hohe Kurzschlussfestigkeit aufweist.

In einer Weiterbildung sind unmittelbar auf der Epitaxieschicht bereichsweise Metallbereiche angeordnet.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Schottkydiode monolithisch in das

Halbleiterbauelement integriert ist und parallel zur Bodydiode geschaltet ist, sodass ein stabiler Rückwärtsbetrieb bei kleinen Durchlassspannungen und niedrigen Sperrströmen möglich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist auf einer Grabenoberfläche der zweiten Gräben eine erste Isolationsschicht angeordnet, die eine höhere

Dielektrizitätskonstante aufweist als Siliziumdioxid, wobei die zweiten Gräben mit einem zweiten Material verfüllt sind. Mit anderen Worten die relative

Dielektrizitätskonstante weist einen Wert größer 3,9 auf.

Der Vorteil ist hierbei, dass die Gate- Drain- Kapazitäten gering sind.

In einer Weiterbildung weist die erste Isolationsschicht eine konstante Dicke auf.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Herstellung einfach ist.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Isolationsschicht auf den Seitenwänden der Grabenoberfläche der zweiten Gräben eine unterschiedliche Dicke auf.

Der Vorteil ist hierbei, dass die Abschirmung der Gateanschlüsse im Sperrfall hoch ist.

In einer Weiterbildung umfasst das Halbleitersubstrat Siliziumkarbid.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement ein MISFET.

In einer Weiterbildung weist das Halbleitersubstrat Galliumnitrid auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements umfasst das Aufbringen einer Epitaxieschicht auf ein Halbleitersubstrat, das Erzeugen von Bodygebieten, die bereichsweise auf der Epitaxieschicht angeordnet sind und das Erzeugen von Sourcegebieten, die auf den

Bodygebieten angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Erzeugen von ersten Gräben, die sich von einer Oberfläche der Sourcegebiete bis in die Epitaxieschicht erstrecken, das Erzeugen einer Schicht auf

Grabenoberflächen der ersten Gräben, wobei die Schicht eine erste

Dotierungskonzentration aufweist, und das Verfüllen der ersten Gräben mit einem hoch p-dotierten Polysilizium. Weiterhin umfasst das Verfahren das Erzeugen zweiter Gräben, die sich von der Oberfläche der Sourcegebiete bis in die Epitaxieschicht erstrecken und bereichsweise in die ersten Gräben reichen, das Erzeugen einer ersten Isolationsschicht auf Grabenoberflächen der zweiten Gräben, und das Verfüllen der zweiten Gräben mit einem hoch n-dotierten Polysilizium, sowie das Erzeugen einer zweiten Isolationsschicht oberhalb der Sourcegebiete, das Erzeugen ohmscher Kontakte, und das Erzeugen einer Rückseitenmetallisierung.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von

Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter

Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 Transistorzellen eines MISFETs aus dem Stand der Technik,

Figur 2 Zellen eines ersten Ausführungsbeispiels eines

Halbleiterbauelements,

Figur 3 Zellen eines zweiten Ausführungsbeispiels eines

Halbleiterbauelements,

Figur 4 Zellen eines dritten Ausführungsbeispiels eines

Halbleiterbauelements, und

Figur 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.

Figur 1 zeigt Transistorzellen eines Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistors 100, einen sogenannten MISFET, aus dem Stand der Technik. Der MISFET 100 umfasst ein hoch n-dotiertes Halbleitersubstrat 101, beispielsweise aus SiC. Auf dem Halbleitersubstrat 101 ist eine schwach n-dotierte Epitaxieschicht 102 angeordnet. Auf der Epitaxieschicht 102 sind bereichsweise moderat p-dotierte Bodygebiete 103 angeordnet. Auf den Bodygebieten 103 sind flache, sehr hoch n-dotierte Sourcegebiete 104 angeordnet. Ausgehend von einer Oberseite der Sourcegebiete 104 erstrecken sich implantierte, wannenförmige p-dotierte Gebiete 115 und eine Vielzahl von zweiten Gräben 106 bis in die Epitaxieschicht 102 hinein. Dabei erstrecken sich die zweiten Gräben 106 bereichsweise in die implantierten, wannenförmigen Gebiete 115 hinein. Mit anderen Worten die

zweiten Gräben 106 überlappen die implantierten, wannenförmigen Gebiete 115 teilweise. Die implantierten, wannenförmigen Gebiete 115 weisen eine größere Tiefe auf als die zweiten Gräben 106, d. h. sie reichen tiefer in die Epitaxieschicht 102. Die implantierten, wannenförmigen Gebiete 115 weisen hoch p-dotiertes Polysilizium auf. Das hoch p-dotierte Polysilizium ist beispielsweise mit Hilfe einer Hochenergieimplantation mit Aluminium hergestellt. Jeweils eine

Grabenwand der zweiten Gräben 106 ist in Kontakt mit einem Bodygebiet 103 und einem Sourcegebiet 104. Die Grabenoberflächen der zweiten Gräben 106 weisen eine Oxidschicht 108 aus dünnem Siliziumdioxid auf. Die zweiten Gräben 106 sind mit einem hoch n-dotierten Polysilizium verfüllt, dem sogenannten Gatepoly. Auf der Waferoberfläche, d. h. oberhalb der Sourcegebiete 104 und der implantierten, wannenförmigen Gebiete 115 ist bereichsweise eine

Isolationsschicht 110 angeordnet. Auf der Isolationsschicht 110 und der

Waferoberfläche ist eine erste Metallschicht 111 angeordnet. Sie bildet mit den Sourcegebieten 104 und den implantierten, wannenförmigen Gebieten 115 ohmsche Kontakte, die Sourcekontakte darstellen. Unterhalb des

Halbleitersubstrats 101 ist eine zweite Metallschicht 112 angeordnet. Sie fungiert als Drainkontakt. Das Gatepoly ist mit einem in der Figur 1 nicht gezeigten Metallanschluss, dem sogenannten Gatepad, elektrisch verbunden. Dies erfolgt meist über eine oder mehrere hoch dotierte Polysilizium-Leiterbahnen, den sogenannten Gate-Runnern.

Figur 2 zeigt Zellen eines ersten Auführungsbeispiels eines

Halbleiterbauelements 200, das ein Halbleitersubstrat 201 aufweist. Das

Halbleitersubstrat 201 weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt. Auf der ersten Seite des

Halbleitersubstrats 201 ist eine Epitaxieschicht 202 angeordnet. Auf der

Epitaxieschicht 202 sind bereichsweise Bodygebiete 203 angeordnet. Auf den Bodygebieten 203 sind Sourcegebiete 204 angeordnet. Ausgehend von einer Oberseite der Sourcegebiete 204 erstrecken sich eine Vielzahl von ersten Gräben 205 und eine Vielzahl von zweiten Gräben 206 bis in die Epitaxieschicht 202 hinein. Dabei erstrecken sich die zweiten Gräben 206 bereichsweise in die ersten Gräben 205 hinein. Mit anderen Worten die zweiten Gräben 206 überlappen die ersten Gräben 205 teilweise. Die ersten Gebiete 205 weisen eine größere Tiefe auf als die zweiten Gräben 206, d. h. sie reichen tiefer in die

Epitaxieschicht 202. Jeweils eine Grabenwand der zweiten Gräben 206 ist in Kontakt mit einem Bodygebiet 203 und einem Sourcegebiet 204. Die

Grabenoberflächen der zweiten Gräben 206 weisen eine erste Isolationsschicht 208 auf, das sogenannte Gatedielektrikum. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Oxidschicht. Die erste Isolationsschicht 208 kann beispielsweise eine Dicke von 50 nm aufweisen. Das bedeutet die Dicke der ersten Isolationsschicht 208 ist konstant, sodass die Verfüllung der zweiten Gräben 206 symmetrisch ist. Vorzugsweise kann das Gatedielektrikum eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweisen als Siliziumdioxid. Das bedeutet die relative Dielektrizitätskonstante eG weist einen größeren Wert als 3,9 auf. Die erste Isolationsschicht 208 weist beispielsweise AI2O3, Hf03 oder T1O2 auf. Zwar sind die Durchbruchfeldstärken von Hf03 und T1O2 niedriger als bei S1O2, jedoch sind die Feldstärken innerhalb des Gatedielektrikums aufgrund der höheren relativen Dielektrizitätskonstante geringer als bei S1O2. Deshalb können die Isolationsschichten 208 noch dünner sein als bei S1O2. Alternativ kann die erste Isolationsschicht 208 eine

Kombination von S1O2 und einem Material mit einer höheren

Dielektrizitätskonstanten aufweisen, d. h. es wird beispielsweise ein

Schichtstapel aus einer dünnen SiC^-Schicht und einer dickeren AI2O3 - Schicht erzeugt. Auf der Waferoberfläche, d. h. oberhalb der Sourcegebiete 204 und der ersten Gräben 205 ist bereichsweise eine zweite Isolationsschicht 210 angeordnet. Auf der zweiten Isolationsschicht 210 und der Waferoberfläche ist eine erste Metallschicht 211 angeordnet. Sie bildet mit den Sourcegebieten 204 und den ersten Gräben 205 ohmsche Kontakte, die Sourcekontakte darstellen. Auf der zweiten Seite des Halbleitersubstrats 201,

d. h. unterhalb des Halbleitersubstrats 201, ist eine zweite Metallschicht 212 angeordnet. Sie fungiert als Drainkontakt.

Das Halbleitersubstrat 201 weist beispielsweise SiC auf. Die Epitaxieschicht 202 ist schwach n-dotiertes SiC. Die Grabenwände 213 der ersten Gräben 205 weisen ein sehr hoch-dotiertes 4H-SiC auf. Die ersten Gräben 205 sind mit einem hoch p-dotierten Polysilizium verfüllt. Somit bildet sich ein Heteroübergang zwischen 4H-SiC und dem p-dotierten Polysilizium, wobei die ersten Gräben 205 eine Tiefe von 0,5 pm bis 10 pm aufweisen. Die ersten Gräben 205 weisen einen Abstand zueinander von 0,2 pm bis 10 pm auf. Dadurch wird die

Abschirmwirkung in Bezug auf das elektrische Feld verbessert und die

Kurzschlussfestigkeit erhöht. Die zweiten Gräben 206 sind mit einem hoch n-dotierten Polysilizium verfüllt, dem sogenannten Gatepoly. Das Bodygebiet 203 umfasst p-dotiertes SiC und die Sourcegebiete 204 weisen hoch n-dotiertes SiC auf.

Figur 3 zeigt Zellen eines zweiten Halbleiterbauelements 300. Der Aufbau des zweiten Halbleiterbauelements 300 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Halbleiterbauelements 200 aus Figur 2, wobei sich der innere Aufbau der Verfüllung der zweiten Gräben 306 des zweiten Halbleiterbauelements 300 vom inneren Aufbau der Verfüllung der zweiten Gräben 206 des ersten

Halbleiterbauelements 200 unterscheidet. Identische hintere Stellen der

Bezugszeichen aus Figur 3 bezeichnen diesselben Elemente wie in Figur 2. Die Grabenoberflächen der zweiten Gräben 306 des zweiten Halbleiterbauelements 300 weist eine erste Isolationsschicht 308 auf, wobei die erste Isolationsschicht 308 an den Seitenwänden der zweiten Gräben 306 und am Grabenboden unterschiedliche Dicken aufweisen. Dabei ist ein Bereich der ersten

Isolationsschicht 308, der unmittelbar an einen ersten Graben 305 angrenzt dicker als auf der diesem Bereich gegenüberliegenden Seite. Zusätzlich oder alternativ ist die erste Isolationsschicht 308 im Bereich des Grabenbodens dicker als an den Seitenwänden der zweiten Gräben 308. Die zweiten Gräben 308 sind mit einem hoch n-dotierten Polysilizium verfüllt. Mit anderen Worten die zweiten Gräben 308 sind unsymmetrisch gegenüber einer Mittelsenkrechten der zweiten Gräben 308 verfüllt. Dadurch wird die Gate- Drain- Kapazität verringert. Zusätzlich ist die Feldstärke innerhalb der dickeren Bereiche der ersten Isolationsschicht 308 geringer als bei einer einheitlichen Schichtdicke.

Figur 4 zeigt eine Zelle eines dritten Ausführungsbeispiels eines

Halbleiterbauelements 400 mit Schottkykontakten 414. Das dritte

Halbleiterbauelement 400 umfasst ein Halbleitersubstrat 401 beispielsweise aus SiC. Das dritte Halbleiterbauelement 400 ist beispielsweise ein MOSFET.

Verglichen mit einem MOSFET auf Siliziumbasis ist der MOSFET auf

Siliziumkarbidbasis im Durchlassbetrieb der Invers- oder Bodydiode

benachteiligt. Zum einen sind die Fluss- bzw. Durchlassspannungen aufgrund der größeren Bandlücke um ca. den Faktor 3 größer, zum anderen kann bei SiC beim Betrieb von bipolaren Strukturen eine Degradation des Stroms auftreten.

Dies ist auf die Rekombination von Elektronen und Löchern zurückzuführen, die die Bildung von Stapelfehlern aus Versetzungen anregen können. Daher sind Schottkydioden mit einer niedrigen, stabilen Flussspannung monolithisch in das dritte Halbleiterbauelement 400 integriert. Die Schottkydioden entstehen am Übergang der Schottkykontakte 414 mit der Epitaxieschicht 402. Die

Schottkydioden sind parallel zu den Bodydioden geschaltet, wobei sich die Bodydioden am Übergang zwischen Bodygebieten 403 und der Epitaxieschicht

402 ausbilden. Der Aufbau des dritten Halbleiterbauelements 400 ähnelt dem Aufbau des ersten Halbleiterbauelements 200 aus Figur 2. Identische hintere Stellen der Bezugszeichen aus Figur 4 bezeichnen diesselben Elemente wie in Figur 2. Das dritte Halbleiterbauelement 400 umfasst eine Epitaxieschicht 402 auf der bereichsweise Bodygebiete 403 angeordnet sind. Auf den Bodygebieten

403 sind Sourcegebiete 404 angeordnet. Auf der Epitaxieschicht 402 sind Metallbereiche 414 unmittelbar angeordnet. Das bedeutet die Metallbereiche 414 sind an Stellen der Epitaxieschicht 402 angeordnet, an denen sich keine Bodygebiete 403 auf der Epitaxieschicht 402 befinden. Gegenüber Figur 2 sind somit bereichsweise die Bodygebiete, die Sourcegebiete, die zweiten Gräben, die erste Isolationsschicht, das Gatepoly, sowie die zweite Isolationsschicht durch die Metallbereiche 414 ersetzt. Die Metallbereiche 414 umfassen beispielsweise Nickel, Titan oder Molybdän. Aufgrund der Lage der

Schottkykontakte zwischen den ersten Gräben 405 werden die elektrischen Felder im Sperrbetrieb von den Schottkykontakten ferngehalten, da sich die von den ersten Gräben 405 in die Epitaxieschichtschicht 402 ausbreitenden

Raumladungszonen gegenseitig berühren und so das elektrische Feld von den Schottkykontakten abschirmen. . Dadurch ergeben sich niedrige Leckströme, da der Barrier-Lowering- Effekt am Schottkykontakt vermieden wird. Mit anderen Worten die Abschirmstrukturen der Grabengebiete, d. h. der ersten Gräben 405 reduzieren den Leckstrom.

Die Halbleiterbauelemente 200, 300 und 400 sind vorzugsweise MOSFETs oder MISFETs. Sie können in Invertern für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge eingesetzt werden. Des Weiteren können sie bei der regenerativen

Energieerzeugung eingesetzt werden, z. B. in Invertern von Photovoltaik- oder Windkraftan lagen. Außerdem ist eine Anwendung bei Zugantrieben und bei Hochspannungsgleichrichtern möglich.

Figur 5 zeigt ein Verfahren 500 zur Herstellung eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren 500 startet mit einem Schritt 501, indem eine Epitaxieschicht auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht wird. Das Material der Epitaxieschicht weist dabei das gleiche Material auf wie das Halbleitersubstrat jedoch mit einer

unterschiedlichen Dotierstoffkonzentration. Die Epitaxieschicht ist schwach n-dotiert. In einem folgenden Schritt 502 werden Bodygebiete erzeugt, die bereichsweise auf der Epitaxieschicht angeordnet sind. Dies erfolgt mittels Lithographie und Ionenimplantation. Die Bodygebiete sind p-dotiert. In einem folgenden Schritt 503 werden Sourcegebiete erzeugt, die auf den Bodygebieten angeordnet sind. Die Sourcegebiete sind stark n-dotiert. In einem folgenden Schritt 504 werden die Dotierstoffe mittels thermischer Behandlung aktiviert. In einem folgenden Schritt 505 werden erste Gräben erzeugt, die sich von einer Oberfläche der Sourcegebiete bis in die Epitaxieschicht erstrecken. Die ersten Gräben werden dabei mittels Hartmasken und reaktivem Ätzen erzeugt. Optional können in einem folgenden Schritt 506 die Grabenböden verrundet werden. In einem folgenden Schritt 507 wird Aluminium oder Bor in die Grabenoberflächen der ersten Gräben implantiert. In einem folgenden Schritt 508 werden die ersten Gräben mit hoch dotiertem Polysilizium, p-dotiert oder n-dotiert, verfüllt. Alternativ können die ersten Gräben mit p-dotiertem oder n-dotiertem 3C-SiC verfüllt werden. In einem folgenden Schritt 509 wird ein Annealingschritt durchgeführt. In einem folgenden Schritt 510 werden zweite Gräben erzeugt, die sich von der Oberfläche der Sourcegebiete bis in die Epitaxieschicht erstrecken und bereichsweise in die ersten Gräben reichen. In einem optionalen Schritt 511 werden die Grabenböden der zweiten Gräben verrundet. In einem folgenden Schritt 512 wird eine erste Isolationsschicht auf Grabenoberflächen der zweiten Gräben erzeugt. In einem folgenden Schritt 513 wird die erste Isolationsschicht strukturiert. Dabei kann die erste Isolationsschicht eine konstante Dicke aufweisen oder die Seitenwände, sowie der Grabenboden eine unterschiedliche Dicke aufweisen. In einem folgenden Schritt 514 werden die zweiten Gräben mit einem dotierten Polysilizium verfüllt. In einem folgenden Schritt 515 wird eine zweite Isolationsschicht oberhalb der Sourcegebiete aufgebracht. In einem folgenden Schritt 516 werden ohmsche Kontakte erzeugt und in einem folgenden Schritt 517 eine Rückseitenmetallisierung erzeugt.