Halbleiteranordnung und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung aus Siliciumcarbid oder ähnlichem Material mit großem Bandab ^¬ stand, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung, insbe- sondere zur Verwendung als spezifische Schaltelemente.

Halbleiteranordnungen bestehen üblicherweise aus einem Wafer als Substrat und darauf befindlichen halbleitenden Schichten vorgegebener Dotierung. Durch geeigneten Aufbau und mit zuge- hörigen Elektroden kann aus der Anordnung ein Halbleiter¬ schaltelement gebildet werden.

Für eine Reihe von insbesondere bipolaren Schaltern, die auf dem Halbleitermaterial Siliciumcarbid (SiC) aufbauen, benö- tigt man eine p-leitende Rückseite des SiC-Materials . Da p-leitende Substrate (Wafer) - bedingt durch die Kristall ^¬ zuchttechnik - eine schlechte spezifische Leitfähigkeit in der Größenordnung von einigen Ωcm haben, sind solche p-Wafer zum Aufbau eines Schaltelementes nicht verwendbar.

Bekanntermaßen kann zwar der reale Widerstand des Substrates durch Dünnen des p-Wafers proportional mit der Dicke verrin ^¬ gert werden. Ein Einsatz derartiger Substrate in der Leis¬ tungselektronik wird allerdings durch die Defektdichte der p-Wafer, die deutlich über der von derzeit verfügbaren n-lei- tenden Substraten liegt, verhindert. Dies gilt bei der vor ^¬ handenen Defektdichte der p-Wafer insbesondere wegen der da ^¬ durch bedingten statischen Verluste aus technischen, sowie wegen der geringen Ausbeute aber auch aus wirtschaftlichen Gründen.

Letzteres Problem könnte nur durch einen Qualitätssprung in der Entwicklung zukünftiger p-Substrate gelöst werden. Aller-

dings sprechen sowohl Entwicklungsprobleme wie auch geschätz ^¬ ter Marktbedarf gegen einen raschen Fortschritt aufgrund ei¬ ner derartigen Entwicklung. Im Übrigen werden bei Anwendungen solcher Substrate zusätzlich meist hohe Ströme mit entspre- chend großen Chipflächen gefordert.

Aus der WO 2004/075253 A2, der EP 0 864 180 Bl und der US 2003/0151042 Al sind Halbleiteranordnungen mit Tunnelkon¬ takten bekannt. Dabei beziehen sich allerdings die Halblei- teranordnungen auf solche Anordnungen, die andere Materialien als Siliciumcarbid als Basis haben. Die Veröffentlichung „Ap ^¬ plied Physics Letters", ISSN 0003 bis 6951 (1993), Vol. 62, No. 20, Seiten 2510 bis 2512 beinhaltet speziell Anordnungen mit Galliumarsenid und/oder Indium-Galliumarsenid als HaIb- leitermaterialien.

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

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

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

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa ^¬ tentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung ist Gegenstand des Patentanspru ^¬ ches 9. Weiterbildungen der Anordnung und des zugehörigen

Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Ausbildung von Schaltelementen, sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird eine alternative Möglichkeit für HaIb- leiteranordnungen, insbesondere zwecks Einsatz als bipolare Schalter, unter Verwendung von n-Wafern als Ausgangssubstrat angegeben. Dabei werden auf dem SiC-Halbleitermaterial Tun ^¬ nelkontakte realisiert. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Tunnelkontaktes für Bauelemente hat dies jedoch keine Umkeh- rung der Dotierungen und damit auch keine Umkehrung der ge¬ wohnten Spannungen zur Folge.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan¬ sprüchen.

Es zeigen

Figur Ia bzw. Ib zwei Alternativen für die Implantation von entweder AI-Ionen oder N-/Al-Ionen in ein Substrat, Figur 2 eine graphische Darstellung der Dotierungskonzentra ^¬ tion in Abhängigkeit von der Dicke,

Figur 3 das Zelldesign eines IGBT-artigen Halbleiterbauele- mentes und

Figur 4 das Design nach Figur 3 mit einem strukturierten p- Emitter.

Es soll eine Halbleiteranordnung auf der Basis von Silicium- carbid (SiC) mit wenigstens einem Tunnelkontakt versehen wer ^¬ den. Dabei bedient man sich der Technologie der Ionenimplan¬ tation, was zunächst anhand der Figuren Ia, Ib und 2 be ^¬ schrieben wird. Anschließend wird anhand Figur 3 und 4 deren Anwendung bei einem mit entsprechenden Elektroden versehendem SiC-Schichtaufbau verdeutlicht, womit ein IGBT-artiges Bau ^¬ element realisiert ist.

In Figur 1 ist ein n-Substrat 1 mit einer Deckschicht 2 dar ^¬ gestellt. Gemäß Figur Ia erfolgt eine flache Implantation von AI-Ionen 3 mit einer Energie von 25 kV und sehr hohen Dosen (> 10 ¹³ /cm ² ) . Neben AI-Ionen kommen ggf. Bor (B) -Ionen für ei- ne Implantation in Frage.

In einer Alternative gemäß Figur Ib erfolgt zunächst eine flache Implantation von 25 kV N-Ionen mit sehr hohen Dosen (> 10 ¹³ /cm ² )4 in das Substrat 1, so dass sich eine Deck- schicht 2' bildet. Anschließend erfolgt entsprechend Figur Ia die Implantation von 25 kV AI-Ionen 3 mit sehr hohen Dosen (> 10 ¹³ /cm ² ) .

Statt der N-Ionen im ersten Teilschritt kommen ggf. auch Phosphor (P) -Ionen zur Implantation in Frage, wobei im zweiten Teilschritt entsprechend obigen Ausführungen gearbeitet wird. In beiden Fällen lässt sich somit ein SiC-Tunnelkontakt auf dem n-Wafer realisieren mit nahezu abruptem, symmetrischem pn-Übergang, dessen Verhalten anhand von Figur 2 erläutert wird.

In Figur 2 ist in einer graphischen Darstellung mit einem Graphen 21 auf der Abszisse des Koordinatensystems die Dicke in μm bzw. nm und auf der Ordinate die Dotierungskonzentrati- on in cm ^"3 angegeben. Es wird eine Implantation von AI-Ionen in eine 50 nm dicke, epitaktisch aufgewachsene Schicht 2 auf einem n-Substrat 1 untersucht:

Beim angegebenen Beispiel hat das n-Substrat eine Dotierungs- konzentration von etwa 5-e ¹⁸ crrT ³ , die p-Epi-50 nm-Schicht eine Dotierungskonzentration von etwa 3-e ¹⁶ crrT ³ und die Al 25 kV- Ionenimplantation eine Dosis von 5-e ¹⁴ crrT ² .

In Figur 2 zeigt der Graph 21 zunächst eine Erhöhung der Do- tierungskonzentration im Bereich von < 0,05 μm, d.h. im Be¬ reich kleiner als 50 nm. Zunächst steigt die Zustandsdichte an. Bei 25 nm liegt in etwa ein Maximum mit 3-e ¹⁹ crrT ³ vor und fällt dann wieder ab. Bei etwa 50 nm bricht die Kurve 21 auf

der Oberfläche des epitaktisch aufgewachsenen Substrates scharf ein und steigt anschließend in einem Bereich von < 10 nm Breite wieder bis zur Gleichgewichtskonzentration von Aluminium an. Die extrapolierte, gestrichelte Linie 22 gibt dabei den Verlauf der Al 25 kV Implantation wieder.

Durch den scharfen Übergang der Zustandsdichte gemäß Figur 2, wird ein Tunnelkontakt realisiert, in dem die Ladungsträger quantenmechanisch tunneln können. Diese Funktion ist für den Aufbau eines bipolaren Schaltelementes auf Siliziumkar ^¬ bid (SiC)-N+ Substraten für die Ausformung eines rückseitigen pH—Emitters wesentlich.

In Figur 3 ist ein IGBT als Halbleiterschaltelement darge- stellt, das aus einem Wafer mit darauf befindlichen halblei ^¬ tenden Schichten besteht: Im Einzelnen kennzeichnet 30 ein n ⁺ -Substrat, auf dessen Unterseite sich ein ohmscher Kontakt 31 befindet, der beim IGBT den „Drain-Kontakt" realisiert. Auf dem n-\—Substrat 30 befindet sich einerseits ein Tunnel- kontakt 50 und weiterhin halbleitende Schichten 32 bis 40, welche nachfolgend beschrieben werden.

Die Schicht 32 stellt einen p ⁺ -Emitter dar, der nach obigem Verfahren hergestellt ist. Auf der p ⁺ -Schicht 32 befindet sich eine epitaktisch hergestellte n-leitende Schicht 33. Da ^¬ mit ist ein rückseitiger p-Emitter realisiert, der die Grund¬ lage für ein bipolares Bauelement darstellt.

Im aktiven Gebiet des Bauelementes ist im Zentrum eine p ⁺ - Kontaktschicht 34 vorhanden, die beiderseits durch einen p- Bereich 35 (sog. P-Wanne o. engl, „well") abgeschirmt sind. Über dem Bereich 35 befindet sich eine n ⁺ -Quelle 36 und je ^¬ weils seitlich ein p-Kanal 37. Darüber ist eine „Gate-Oxid"- Schicht 38 angeordnet, welche wiederum durch eine „Poly-Si- Gate"-Schicht 39 abgedeckt ist.

Über dieser gestuften Anordnung ist eine Isolationsschicht 40 aufgebracht und abgestuft zum Zentrum eine Kontaktschicht 41, welche den „Source-Kontakt" des IGBTs darstellt.

Wesentlich ist, dass auf dem Wafer durch die spezifische Her¬ stellungsweise ein schmales Tunnelgebiet 50 zwischen ^-Sub ^¬ strat 30 und p ⁺ -Emitter 32 gebildet ist. Damit ist die Funk ^¬ tion der p-leitenden Rückseite auf dem Halbleitermaterial Si- liciumcarbid erfüllt .

In Figur 4 ist ein zu Figur 3 entsprechender Aufbau eines IGBT-artigen Bauelementes dargestellt. Dabei ist der p ⁺ -Emit- ter 32 aus Figur 3 strukturiert, so dass sich einzelne Berei ^¬ che 42, 42' ... ergeben. Es lassen sich somit so genannte „Anodenshorts" realisieren, welche im Ergebnis Kurzschlüsse bestimmter Stärke - definiert durch die räumliche Aufteilung - darstellen.

Durch die Epitaxie der Epi-Schichten 32 und 33 und eine Ät- zung vor dem epitaktischen n-Wachstum ergibt sich ein struk¬ turierter pH—Emitter mit Bereichen 42', 42'', so dass ver¬ teilte Kurzschlüsse auftreten können. Solche Kurzschlüsse („Anodenshorts") werden beispielsweise durch Ätzung der epi ^¬ taktischen Waferschicht hergestellt.

Bei den in den Figuren 3 und 4 angegebenen Beispielen können also vorteilhafterweise in guter Qualität zur Verfügung ste ^¬ hende n-Wafer verwendet werden. Damit wird die Tatsache be ^¬ rücksichtigt, dass die an sich benötigten p-Wafer hinreichen- der Qualität in der Praxis nicht zur Verfügung stehen.

Letzteres Problem wird bei obigen Beispielen durch die Her¬ stellung eines ohm' sehen Kontaktes 31 auf der Unterseite des n ⁺⁺ -Substrates 30 und der auf der Oberseite liegenden, z.B. 50 nm dicken p-epi-Schicht 32 gelöst, die vor dem epitakti ^¬ schen Wachstum durch eine flache AI-Implantation an der Grenzfläche zum n-Wafer hoch dotiert wurde. Dadurch wird ein abrupter beidseitig hoch dotierter pn-Übergang ausgebildet,

der so beschaffen ist, dass es besonders in SiC auf Grund des großen Bandabstandes zu einem sog. „Band-to-Band"- und/oder „Trap-assisted"-Tunneln der Ladungsträger mit einer vernach¬ lässigbaren Diffusionsspannung kommt.

Durch Einführung einer ebenfalls flachen n-Implantation mit maximaler Dosis in den n-Wafer 30 vor der p-Epitaxie kann die Bandverbiegung entsprechend den Dotiergradienten weiter ver¬ größert werden. Die bei der Implantation eingebrachte hohe Defektdichte verbessert durch sog. „Trap-assisted Tunneling" die Kontaktleitfähigkeit weiter mittels einer drastischen Er ^¬ höhung der Rekombinationsgeschwindigkeit von Elektronen und Löchern. Dabei wird Vorteilhafterweise ausgenutzt, dass in Siliciumcarbid (SiC) abrupte pn-Übergänge derart innerhalb eines Bereiches von 5 bis 20 nm möglich sind, da praktisch keine Diffusion während der nachfolgenden Prozessschritte er¬ folgt. Ein üblicher Ausheilschritt aktiviert elektrisch die implantierten Dotierstoffe im Kristallgitter, möglichst mit differenzierter Wirkung auf die Defekt-Niveaus.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es also möglich, auf ei¬ nem n ⁺⁺ -Substrat einen p-Emitter zu erzeugen. Damit können z.B. mit bekannten Prozessen, insbesondere durch Verwendung einer dicken n-Epi-Schicht mit hoher Trägerlebensdauer, ver- besserte bipolare und hochsperrende Schalter mit der gewohn ^¬ ten Polarität aufgebaut werden. Die Verwendung des technisch i. AlIg. mangelhaften SiC-p-Substrates wird dabei umgangen.

Des Weiteren ist es entsprechend Figur 4 möglich, im Hinblick auf die gewünschten Emittereigenschaften den Emitter entspre¬ chend z.B. mit Anoden-Kurzschlüssen zu strukturieren. Damit werden Nachteile beseitigt, die bei epitaktischen Bauelemen¬ ten durch den vom Wafer gebildeten rückseitigen ganzflächi¬ gen, homogenen Emitter nicht umgangen werden können.