DE102013109654A1 - Feldeffekt-Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Gemäß einer Ausführungsform eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements enthält das Feldeffekt-Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper und eine Source-Elektrode. Der Halbleiterkörper enthält eine Driftregion, eine Gate-Region und eine Source-Region aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem ersten Bandabstand und eine Anodenregion aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand, der geringer als der erste Bandabstand ist. Die Driftregion ist von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Die Gate-Region bildet einen pn-Übergang mit der Driftregion. Die Source-Region ist von dem ersten Leitfähigkeitstyp und steht in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion und hat eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Driftregion. Die Anodenregion ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp, bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion und ist von der Source-Region beabstandet. Die Source-Metallisierung steht in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Source-Region und der Anodenregion.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Feldeffekt-Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungs-Feldeffekttransistoren mit einer integrierten Diode, sowie zugehörige Verfahren zur Herstellung von Feldeffekt-Halbleiterbauelementen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Halbleitertransistoren, insbesondere feldeffektgesteuerte Schaltbauelemente wie zum Beispiel ein Sperrschichtfeldeffekttransistor (Junction Field Effect Transistor, JFET), ein Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) und ein Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), sind für verschiedene Anbringungen verwendet worden, wie zum Beispiel als Schalter in Netzteilen und Leistungswandlern, Elektro-Pkw, Klimaanlagen und sogar Stereoanlagen. Speziell im Hinblick auf Schaltnetzteile werden oft Leistungstransistoren gewünscht, die in der Lage sind, hohe Ströme zu schalten und/oder bei höheren Spannungen zu arbeiten, und die einen besonders niedrigen Leistungsverlust aufweisen. Während des Betriebes eines Schaltnetzteils kann eine Body-Diode, die zwischen einer Body-Region und einer Driftregion des Feldeffekttransistors (FETs) ausgebildet ist, in Durchlassrichtung geschaltet werden. In diesem Betriebsmodus kommt es zu einem Verlust, der vom Durchlassspannungsabfall der Body-Diode abhängig ist. Des Weiteren führt das Verarmen der Driftregion während des Schaltens des FETs zu Schaltverlusten. Die Schaltverluste steigen mit zunehmender Betriebsfrequenz, was oft erwünscht ist, um Gewicht und Größe des Schaltnetzteils zu verringern.
  • Eine externe oder integrierte Schottky-Diode kann als eine sogenannte Freilaufdiode zur Reduzierung von Schaltverlusten verwendet werden. Jedoch erfordern externe Schottky-Dioden externe Verdrahtungen, was zu zusätzlichen Induktivitäten führt. Integrierte Schottky-Dioden erfordern typischerweise zusätzlichen Waferplatz und/oder eine komplexere Verarbeitung. Das kann zu höheren Kosten führen.
  • Dementsprechend besteht Bedarf an verbesserten Feldeffekt-Halbleitertransistoren.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements enthält das Feldeffekt-Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand und mit einer Hauptfläche. Der Halbleiterkörper enthält in einem Querschnitt, der im Wesentlichen vertikal zur Hauptfläche verläuft: eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine erste Kanalregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion grenzt; eine erste Gate-Region, die einen ersten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion bildet; eine erste Body-Region, die unter der ersten Gate-Region angeordnet ist und einen zweiten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion bildet, dergestalt, dass sich die erste Kanalregion zwischen dem ersten pn-Übergang und dem zweiten pn-Übergang befindet; und eine erste Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere maximale Dotierungskonzentration aufweist als die erste Kanalregion und an die erste Kanalregion grenzt. Eine Anodenregion aus einem zweiten Material mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner als der erste Bandabstand ist, bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion. Die Anodenregion ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Der Heteroübergang und die erste Source-Region überlappen sich in der Draufsicht nicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements enthält das Feldeffekt-Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand und mit einer Hauptfläche. Der Halbleiterkörper enthält in einem Querschnitt, der im Wesentlichen vertikal zur Hauptfläche verläuft: eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zu der Hauptfläche erstreckt; zwei Kanalregionen des ersten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion voneinander beabstandet sind und an die Driftregion grenzen; zwei Gate-Regionen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion voneinander beabstandet sind, wobei jede der zwei Gate-Regionen einen jeweiligen pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen bildet; zwei Body-Regionen, die vertikal unter den zwei Gate-Regionen angeordnet sind, wobei jede der zwei Body-Regionen einen weiteren pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen bildet; und zwei Source-Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps. Jede der zwei Source-Regionen hat eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die zwei Kanalregionen und grenzt an eine der zwei Kanalregionen. Eine Anodenregion aus einem zweiten Material ist an der Hauptfläche angeordnet. Das zweite Material hat einen geringeren Bandabstand als das erste Material. Die Anodenregion ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements enthält das Feldeffekt-Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper mit einer Hauptfläche. Der Halbleiterkörper enthält in einem vertikalen Querschnitt, der im Wesentlichen orthogonal zu der Hauptfläche verläuft: eine Driftregion einer ersten Leitfähigkeit und aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand; eine Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps und aus dem ersten Material, wobei die Source-Region eine höhere maximale Dotierungskonzentration aufweist als die Driftregion; eine Body-Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps und aus dem ersten Material, wobei die Body-Region zwischen der Source-Region und der Driftregion angeordnet ist; eine Gate-Elektrode, die in einem vertikalen Graben angeordnet ist, der sich von der Hauptfläche mindestens teilweise in der Driftregion erstreckt, wobei die Gate-Elektrode von der Source-Region, der Driftregion und der Body-Region durch einer Gatedielektrikumregion isoliert ist; und eine Anodenregion aus einem zweiten Material mit einem geringeren Bandabstand als das erste Material. Die Anodenregion ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion und ist unter der Hauptfläche angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements umfasst das Verfahren: Bilden einer JFET-Struktur in einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand und Bilden einer Anodenregion eines zweiten Leitfähigkeitstyps und aus einem zweiten Material mit einem geringeren Bandabstand als das erste Material. Die JFET-Struktur wird so ausgebildet, dass die JFET-Struktur Folgendes enthält: eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zu einer Hauptfläche des ersten Materials erstreckt; eine erste Gate-Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion grenzt; eine erste Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps, die über eine erste Kanalregion, die eine geringere maximale Dotierungskonzentration aufweist als die erste Source-Region, in ohmischem Kontakt mit der Driftregion steht; und eine erste Body-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die unter der ersten Gate-Region angeordnet ist und an die erste Kanalregion grenzt, dergestalt, dass sich die erste Kanalregion zwischen der ersten Gate-Region und der ersten Body-Region befindet. Die Anodenregion ist an der Hauptfläche gebildet und bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion.
  • Der Fachmann erkennt beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und beim Betrachten der beiliegenden Zeichnungen weitere Merkmale und Vorteile.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; stattdessen wurde Wert auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
  • 1 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform;
  • 3 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform; und
  • 4 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der vorliegenden Schrift bilden und in denen zum Zweck der Veranschaulichung konkrete Ausführungsformen gezeigt sind, wie die Erfindung praktiziert werden kann. In diesem Zusammenhang werden Richtungsbegriffe wie zum Beispiel „oben”, „unten”, „Vorderseite”, „Rückseite”, „vorn”, „hinten” usw. bezüglich der Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet. Weil die Komponenten von Ausführungsformen in einer Reihe unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert werden können, dienen die Richtungsbegriffe lediglich der Veranschaulichung und sind in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist darum nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Wir wenden uns nun ausführlich verschiedenen Ausführungsformen zu, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren veranschaulicht sind. Jedes Beispiel dient lediglich der Erläuterung und soll die Erfindung nicht einschränken. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, in – oder in Verbindung mit – anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifizierungen und Variationen enthält. Die Beispiele werden unter Verwendung bestimmter Formulierungen beschrieben, die nicht so verstanden werden dürfen, als würden sie den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche einschränken. Die Zeichnungen sind nicht nach Maßstab angefertigt und dienen lediglich veranschaulichenden Zwecken. Zur besseren Klarheit wurden – wenn nicht anders angegeben – die gleichen Elemente oder Herstellungsschritte mit den gleichen Bezugszahlen versehen in den verschiedenen Zeichnungen.
  • Der Begriff „horizontal” im Sinne dieser Spezifikation beschreibt eine Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu einer ersten oder Hauptfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Halbleiterplättchens sein.
  • Der Begriff „vertikal” im Sinne dieser Spezifikation beschreibt eine Ausrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche, d. h. parallel zu der normalen Richtung der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -körpers, verläuft.
  • Im Sinne dieser Spezifikation wird eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers durch die Unter- oder Rückseite gebildet, während die erste Oberfläche durch die obere, vordere oder Hauptfläche des Halbleitersubstrats gebildet wird. Die Begriffe „über” und „unter” im Sinne dieser Spezifikation beschreiben daher die Position eines Strukturelements relativ zu einem anderen Strukturelement unter Berücksichtigung dieser Ausrichtung.
  • In dieser Spezifikation wird n-dotiert als erster Leitfähigkeitstyp bezeichnet, während p-dotiert als zweiter Leitfähigkeitstyp bezeichnet wird. Alternativ können die Halbleiterbauelemente mit entgegengesetzten Dotierungsbeziehungen ausgebildet werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann. Des Weiteren veranschaulichen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „–” oder „+” neben dem Dotierungstyp. Zum Beispiel meint „n” eine Dotierungskonzentration, die geringer als die Dotierungskonzentration einer „n”-Dotierungsregion ist, während eine „n+”-Dotierungsregion eine größere Dotierungskonzentration als die „n”-Dotierungsregion hat. Jedoch bedeutet die Angabe der relativen Dotierungskonzentration nicht, dass Dotierungsregionen mit der gleichen relativen Dotierungskonzentration unbedingt die gleiche absolute Dotierungskonzentration haben müssen, sofern nichts anderes angegeben ist. Zum Beispiel können zwei verschiedene n+-Dotierungsregionen verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben. Das gleiche gilt zum Beispiel für eine n+-Dotierungsregion und eine p+-Dotierungsregion.
  • Konkrete Ausführungsformen, die in dieser Spezifikation beschrieben werden, betreffen (ohne darauf beschränkt zu sein) Halbleiterbauelemente, insbesondere Feldeffekt-Halbleitertransistoren und Verfahren zu ihrer Herstellung. In dieser Spezifikation werden die Begriffe „Halbleiterbauelement” und „Halbleiterkomponente” synonym verwendet. Das Halbleiterbauelement enthält typischerweise eine Feldeffektstruktur und eine integrierte Freilaufdiode. Die Feldeffektstruktur kann eine JFET-Struktur, eine MOSFET- oder eine IGBT-Struktur (Insulated Gate Bipolar Transistor-Struktur) mit einem pn-Übergang sein, der eine Body-Diode zwischen einer Driftregion des ersten Leitfähigkeitstyps und einer Body-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps bildet. Das Halbleiterbauelement ist typischerweise ein vertikales Halbleiterbauelement mit zwei Lastmetallisierungen, zum Beispiel einer Source-Metallisierung und einer Drain-Metallisierung, die einander gegenüber und in gering-widerstandsbehaftetem Kontakt mit einer jeweiligen Kontaktregion angeordnet sind. Die Feldeffektstruktur kann auch durch eine HEMT-Struktur (High Electron Mobility Transistor-Struktur) gebildet werden, wobei eine sehr dünne Schicht aus hoch-beweglichen leitenden Elektronen mit sehr hoher Konzentration, die zum Beispiel ein zweidimensionales Elektronengas bilden, nahe einem Heteroübergang, der zwischen zwei benachbarten Halbleiterregionen mit verschiedenen Bandabständen angeordnet ist, gebildet und/oder beeinflusst wird.
  • Der Begriff „Kommutieren” im Sinne dieser Spezifikation beschreibt das Umschalten des Stromes eines Halbleiterbauelements von einer Durchlassrichtung oder leitenden Richtung, in der ein pn-Lastübergang, zum Beispiel der pn-Übergang zwischen der Body-Region und der Driftregion, in Durchlassrichtung vorgespannt ist, in die entgegengesetzte Richtung oder Sperrrichtung, in der der pn-Lastübergang in Sperrrichtung vorgespannt ist. Das Betreiben des Halbleiterbauelements mit in Sperrrichtung vorgespanntem pn-Lastübergang wird im Folgenden auch Betreiben des Halbleiterbauelements in einem Sperrmodus bezeichnet. Gleichermaßen wird das Betreiben des Halbleiterbauelements mit in Durchlassrichtung vorgespanntem pn-Lastübergang im Folgenden als Betreiben des Halbleiterbauelements in einem Durchlassmodus bezeichnet. Der Begriff „hartes Kommutieren” im Sinne dieser Spezifikation beschreibt ein Kommutieren mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 1010 V/s, vor allem mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 2·1010 V/s.
  • Typischerweise ist das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem aktiven Bereich mit mehreren IGBT-Zellen oder MOSFET-Zellen zum Transportieren und/oder Steuern eines Laststroms zwischen den zwei Lastmetallisierungen. Des Weiteren hat das Leistungshalbleiterbauelement typischerweise einen peripheren Bereich mit mindestens einer Randabschlussstruktur, die den aktiven Bereich – in der Draufsicht – mindestens teilweise umgibt.
  • Der Begriff „Leistungshalbleiterbauelement” im Sinne dieser Spezifikation beschreibt ein Halbleiterbauelement auf einem einzelnen Chip mit Hochspannungs- und/oder Hochstrom-Schaltfähigkeiten. Oder anders ausgedrückt: Leistungshalbleiterbauelemente sind für hohen Strom, typischerweise im Ampere-Bereich, vorgesehen. In dieser Spezifikation werden die Begriffe „Leistungshalbleiterbauelement” und „Leistungshalbleiterkomponente” synonym verwendet.
  • Der Begriff „Feldeffekt im Sinne dieser Spezifikation beschreibt die durch ein elektrisches Feld vermittelte Bildung eines leitfähigen „Kanals” eines ersten Leitfähigkeitstyps und/oder Steuerung der Leitfähigkeit und/oder Form des Kanals zwischen zwei Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps. Der leitfähige Kanal kann in einer Halbleiterregion eines zweiten Leitfähigkeitstyps, typischerweise einer Body-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, gebildet und/oder gesteuert werden, die zwischen den zwei Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. Aufgrund des Feldeffekts wird ein unipolarer Strompfad durch die Kanalregion hindurch zwischen einer Source-Region oder Emitter-Region des ersten Leitfähigkeitstyps und einer Driftregion des ersten Leitfähigkeitstyps in einer MOSFET-Struktur bzw. einer IGBT-Struktur gebildet und/oder gesteuert. Die Driftregion kann mit einer höher-dotierten Drain-Region des ersten Leitfähigkeitstyps oder einer höher-dotierten Kollektor-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt stehen. Die Drain-Region oder die Kollektor-Region steht in gering-widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt mit einer Drain- oder Kollektor-Elektrode. Die Source-Region oder Emitter-Region steht in gering-widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt mit einer Source- oder Emitter-Elektrode. In einer JFET-Struktur wird die Kanalregion typischerweise durch einen Abschnitt der Driftregion des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet, der zwischen einer Gate-Region und einer Body-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, und kann durch Verändern der Breite einer Verarmungsschicht gesteuert werden, die zwischen der Gate-Region und der Kanalregion gebildet wird.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beschreiben die Begriffe „in ohmischem Kontakt”, „in widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt” und „in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung”, dass ein ohmischer Strompfad zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements mindestens dann vorhanden ist, wenn keine Spannungen oder nur niedrige Sondierspannungen an und/oder über das Halbleiterbauelement angelegt werden. Gleichermaßen beschreiben die Begriffe „in niedrig-ohmischem Kontakt”, „in gering-widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt” und „in gering-widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung”, dass ein gering-widerstandsbehafteter ohmischer Strompfad zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements mindestens dann vorhanden ist, wenn keine Spannungen an und/oder über das Halbleiterbauelement angelegt werden. In dieser Spezifikation werden die Begriffe „in niedrig-ohmischem Kontakt”, „in gering-widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt”, „elektrisch gekoppelt” und „in gering-widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung” synonym verwendet. In einigen Ausführungsformen steigt der spezifische Widerstand eines gering-widerstandsbehafteten Strompfades zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements, der niedrig ist, wenn niedrige Spannungen an und/oder über das Halbleiterbauelement angelegt werden, zum Beispiel eine Sondierspannung von weniger als einem oder einigen wenigen Volt, weit über eine Schwellenspannung, zum Beispiel aufgrund einer Verarmung einer Halbleiterregion, die mindestens einen Teil des Strompfades bildet.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beinhaltet der Begriff „MOS” (Metal-Oxide-Semiconductor) auch den allgemeineren Begriff „MIS” (Metal-Insulator-Semiconductor). Zum Beispiel beinhaltet der Begriff MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) auch FETs mit einem Gate-Isolator, der kein Oxid ist; d. h. der Begriff MOSFET wird in einem allgemeineren Sinne in der Bedeutung von IGFET (Insulated-Gate Field-Effect Transistor) bzw. MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor) verwendet.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beschreibt der Begriff „Gate-Elektrode” eine Elektrode, die sich neben einer Kanalregion befindet und dafür konfiguriert ist, diese Kanalregion zu bilden und/oder zu steuern. Der Begriff „Gate-Elektrode” beinhaltet eine Elektrode, die sich neben der Body-Region befindet und von der Body-Region durch eine Isolierregion isoliert ist, die eine Gatedielektrikumregion bildet und dafür konfiguriert ist, eine Kanalregion neben einem Heteroübergang oder durch die Body-Region hindurch zu bilden und/oder zu steuern, sowie eine Elektrode in gering-widerstandsbehaftetem elektrischem Kontakt mit einer Gate-Region, die an eine Kanalregion mit einem entgegengesetzten Dotierungstyp grenzt und dafür konfiguriert ist, einen verarmten Abschnitt in der Kanalregion durch Laden auf eine geeignete Spannung zu formen.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beschreibt der Begriff „Feldelektrode” eine Elektrode, die neben einer Halbleiterregion, typischerweise der Driftregion, von der Halbleiterregion bzw. dem Halbleiterkörper isoliert angeordnet ist und dafür konfiguriert ist, einen verarmten Abschnitt in der Halbleiterregion durch Laden auf eine geeignete Spannung, typischerweise eine negative Spannung mit Bezug auf die umgebende Halbleiterregion für eine Halbleiterregion vom n-Typ, auszuweiten. Typischerweise wird die Gate-Elektrode bzw. die Feldelektrode durch eine leitfähige Region gebildet, die in oder auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist und von dem Halbleiterkörper durch eine Isolierregion, die eine Felddielektrikumregion bildet, isoliert ist. Die leitfähige Region kann aus einem Material mit ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, so dass die leitfähige Region eine potenzialgleiche Region während des Bauelementbetriebes bildet. Zum Beispiel kann die leitfähige Region aus einem Material mit metallischer oder fast-metallischer elektrischer Leitfähigkeit bestehen, wie zum Beispiel einem Metall wie Wolfram, hoch-dotiertes Polysilizium, ein Silicid oder dergleichen. Typischerweise steht die leitfähige Region mit einer Gate-Metallisierung des Halbleiterbauelements in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung. Die Isolierregion kann aus einem beliebigen geeigneten dielektrischen Material bestehen, wie zum Beispiel Siliziumoxid, zum Beispiel thermisches Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder dergleichen.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beschreibt der Begriff „Metallisierung” eine Region oder eine Schicht mit metallischen oder fast-metallischen Eigenschaften mit Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit. Eine Metallisierung kann mit einer Halbleiterregion in Kontakt stehen, um eine Elektrode, eine Kontaktinsel und/oder einen Anschluss des Halbleiterbauelements zu bilden. Die Metallisierung kann aus einem Metall bestehen und/oder ein Metall umfassen, wie zum Beispiel Al, Ti, W, Cu und Co, kann aber auch aus einem Material mit metallischen oder fast-metallischen Eigenschaften mit Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit bestehen, wie zum Beispiel hoch-dotiertes Poly-Si vom n-Typ oder p-Typ, Zinn oder ein elektrisch leitfähiges Silicid wie zum Beispiel TaSi2, TiSi2, PtSi, CoSi2, WSi2 oder dergleichen. Die Metallisierung kann auch verschiedene elektrisch leitfähige Materialien, zum Beispiel einen Stapel solcher Materialien, enthalten.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation beschreibt der Begriff „Mesa” oder „Mesaregion” eine Halbleiterregion zwischen zwei benachbarten Gräben, die sich – in einem vertikalen Querschnitt – in das Halbleitersubstrat oder den Halbleiterkörper hinein erstrecken.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen, die sich auf Halbleiterbauelemente und Herstellungsverfahren zum Bilden von Halbleiterbauelementen beziehen, hauptsächlich mit Bezug auf Silizium-Carbid(SiC)-Halbleiterbauelemente beschrieben. Dementsprechend ist eine monokristalline Halbleiterregion oder -schicht typischerweise eine monokristalline SiC-Region oder SiC-Schicht. Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper aus jedem beliebigen Halbleitermaterial bestehen kann, das zur Herstellung eines Halbleiterbauelements geeignet ist. Zu Beispielen gehören elementare Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Silizium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe-IV-Verbund-Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Silizium-Carbid (SiC) oder Silizium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Gallium-Nitrid (GaN), Gallium-Arsenid (GaAs), Gallium-Phosphid (GaP), Indium-Phosphid (InP), Indium-Gallium-Phosphid (InGaPa), Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), Aluminium-Indium-Nitrid (AlInN), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid (AlGaInN) oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Cadmium-Tellurid (CdTe) und Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe), um nur ein paar zu nennen. Die oben erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangs-Halbleitermaterialien bezeichnet. Beim Kombinieren zweier verschiedener Halbleitermaterialien entsteht ein Heteroübergangs-Halbleitermaterial. Zu Beispielen von Heteroübergangs-Halbleitermaterialien gehören Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid (AlGaInN), Indium-Gallium-Nitrid(InGaN)-Aluminium-Gallium-Indium-Nitrid (AlGaInN), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), Gallium-Nitrid (GaN), Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), Gallium-Nitrid (GaN), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN), Silizium-Silizium-Carbid (SixC1-x) und Silizium-SiGe-Heteroübergangs-Halbleitermaterialien. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden derzeit überwiegend Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet. Wenn der Halbleiterkörper ein Material mit großem Bandabstand wie zum Beispiel SiC oder GaN umfasst, das eine hohe Durchschlagspannung bzw. eine hohe kritische Lawinenfeldstärke hat, so kann die Dotierung der jeweiligen Halbleiterregionen höher gewählt werden, was den Ein-Zustands-Widerstand Ron (im Folgenden auch als Ein-Widerstand Ron bezeichnet) reduziert.
  • Mit Bezug auf 1 werden Ausführungsformen eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements 100 und eines Verfahrens zum Bilden des Feldeffekt-Halbleiterbauelements 100 erläutert. 1 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements 100. Der Halbleiterkörper hat eine Hauptfläche 101 mit einer normalen Richtung, die eine vertikale Richtung definiert, und eine gegenüberliegende Fläche 102, die gegenüber der Hauptfläche 101 angeordnet ist. Im Folgenden wird die Hauptfläche 101 auch als horizontale Hauptfläche bezeichnet.
  • In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper sechs Halbleiterregionen 1 bis 6 aus einem ersten monokristallinen Halbleitermaterial mit einem ersten Bandabstand, zum Beispiel sechs monokristalline SiC-Regionen 1 bis 6. Die erste, dritte und fünfte Halbleiterregion 1, 3, 5 sind vom n-Dotierungstyp und bilden typischerweise eine Driftregion 1, eine Source-Region 3 bzw. eine Drain-Region 5. Die zweite, vierte und sechste Halbleiterregion 2, 4, 6 sind vom p-Dotierungstyp und bilden typischerweise eine Gate-Region 2, eine Body-Region 4 bzw. eine Body-Kontaktregion 6. Die Dotierungsbeziehungen können aber auch umgekehrt werden.
  • In der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Driftregion 1 und die Gate-Region 2 zu der Hauptfläche 101, während sich die Body-Kontaktregion 6 und die Source-Region 3 zu einer weiteren im Wesentlichen horizontalen Fläche 103 des Halbleiterkörpers erstrecken, die zwischen der Hauptfläche 101 und der gegenüberliegenden Fläche 102 angeordnet ist. Dies ist jedoch nur eine Ausführungsform, die implementiert werden kann, wenn SiC als das erste Halbleitermaterial verwendet wird. Dies vereinfacht typischerweise die Herstellung, da die dotierten Halbleiterregionen 2 bis 6 typischerweise einfacher durch Abscheidung von dotiertem SiC als mittels Implantationen und Einarbeiten gebildet werden, weil mit den niedrigen Diffusionskoeffizienten von Dotierungsstoffen in SiC Einschränkungen einhergehen. In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die Body-Kontaktregion 6 und die Source-Region 3 auch zu der Hauptfläche 101, zum Beispiel, wenn Si als das erste Halbleitermaterial verwendet wird.
  • Eine Source-Metallisierung 10 steht in gering-widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Source-Region 3 und der Body-Region 4 über die Body-Kontaktregion 6, die an die Body-Region 4 grenzt. Des Weiteren steht eine Gate-Metallisierung 12 in gering-widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Gate-Region 2. In der beispielhaften Ausführungsform grenzt die Gate-Metallisierung 12 an die Gate-Region 2, und die Source-Metallisierung 10 grenzt an die Source-Region 3 und die Body-Kontaktregion 6. In anderen Ausführungsformen werden die gering-widerstandsbehafteten Kontakte über jeweilige Durchkontakte implementiert, die sich durch eine Interelektroden-Dielektrikumschicht hindurch erstrecken, die zwischen den Metallisierungen 10, 12 und dem Halbleiterkörper, d. h. auf der Hauptfläche 101 bzw. der weiteren Fläche 103, angeordnet ist.
  • Eine Drain-Metallisierung 11 ist typischerweise gegenüber der Source-Metallisierung 10, typischerweise auf der gegenüberliegenden Fläche 102 und in gering-widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion 1 über die Drain-Region 5, die eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Driftregion 1 hat, angeordnet. Dementsprechend ist das Halbleiterbauelement 100 ein mit drei Anschlüssen ausgestattetes Halbleiterbauelement.
  • Eine Kanalregion 1a des ersten Leitfähigkeitstyps ist zwischen der Driftregion 1 und der Source-Region 3 angeordnet und grenzt an diese. Somit steht die Source-Region 3 mindestens dann in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion 1, wenn keine oder nur niedrige Sondierspannungen an die drei Metallisierungen 10, 11, 12 angelegt werden.
  • Die Kanalregion 1a ist zwischen der Gate-Region 2 und der Body-Region 4, die typischerweise unter der Gate-Region 2 angeordnet ist, angeordnet und bildet jeweilige pn-Übergänge mit diesen. Im Folgenden wird der pn-Übergang, der zwischen der linken Gate-Region 2 und der linken bzw. ersten Kanalregion 1a gebildet wird, als erster pn-Übergang bezeichnet. Der pn-Übergang, der zwischen der linken Body-Region 4 und der linken Kanalregion 1a gebildet wird, wird im Folgenden als zweiter pn-Übergang bezeichnet.
  • Gleichermaßen wird der pn-Übergang, der zwischen der rechten Gate-Region 2 und der rechten oder zweiten Kanalregion 1a gebildet wird, als dritter pn-Übergang bezeichnet. Der pn-Übergang, der zwischen der rechten Body-Region 4 und der rechten Kanalregion 1a gebildet wird, wird im Folgenden als vierter pn-Übergang bezeichnet.
  • In Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz VGS = VG – VS zwischen der Gate-Metallisierung 12 und der Source-Metallisierung 10 und der Spannungsdifferenz VDS = VD – VS zwischen der Drain-Metallisierung 11 und der Source-Metallisierung 10 können jeweilige Raumladungsregionen an dem ersten, zweiten, dritten und vierten pn-Übergang gebildet werden und erstrecken sich in die Kanalregionen 1a hinein. Die Raumladungsregionen erstrecken sich typischerweise auch in die Gate-Region(en) 2 bzw. Body-Region(en) 4 hinein, jedoch – aufgrund der typischerweise höheren maximalen Dotierungskonzentration der Gate-Region 2 und der Body-Region 4 im Vergleich zu der Kanalregionen 1a – in einem geringeren Ausmaß. Wenn die Raumladungsregionen in den linken und rechten Kanalregionen 1a verschmelzen, so wird der ohmische Strompfad zwischen der Source-Metallisierung 10 und der Drain-Metallisierung 12 durch die Kanalregionen 1a hindurch unterbrochen. In der beispielhaften Ausführungsform wird der widerstandsbehaftete Strompfad durch die Kanalregionen 1a unterbrochen, wenn VDS + |VGS| mindestens so groß ist wie eine Abklemmspannung VP, die von der Geometrie und den Dotierungsbeziehungen abhängig ist. Dementsprechend kann das Halbleiterbauelement 100 als Ausschalt-JFET betrieben werden.
  • In der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die Driftregion 1 zu der Hauptfläche 101 und ist in einer horizontalen Richtung zwischen zwei Abschnitten der Gate-Region 2 angeordnet, die im Wesentlichen spiegelsymmetrisch mit Bezug auf eine vertikale Mittelachse angeordnet sind. Die zwei Abschnitte, die in dem vertikalen Querschnitt von 1 voneinander beabstandet sind, können – in der Draufsicht – auch durch die Driftregion 1 voneinander beabstandet sein, d. h. sie können eine erste und eine zweite Gate-Region bilden oder können Abschnitte einer angrenzenden Region bilden, die – in der Draufsicht – zum Beispiel im Wesentlichen ringförmig ist.
  • Des Weiteren haben die Source-Region 3, die Body-Region 4 und die Body-Kontaktregion 6 sowie die Gate-Metallisierung 12 und die Source-Metallisierung 10 ebenfalls zwei jeweilige Abschnitte, die in der beispielhaften Ausführungsform im Wesentlichen spiegelsymmetrisch mit Bezug auf die vertikale Mittelachse angeordnet sind. Dementsprechend sind in dieser Ausführungsform die zwei Kanalregionen 1a im Wesentlichen spiegelsymmetrisch mit Bezug auf die vertikale Mittelachse angeordnet. Jeder der zwei jeweiligen Abschnitte der Source-Region 3, der Body-Region 4, der Body-Kontaktregion 6, der Kanalregion 1a, der Gate-Metallisierung 12 und der Source-Metallisierung 10 kann ein Abschnitt einer jeweiligen angrenzenden Region sein oder kann – in der Draufsicht – separat sein.
  • Der veranschaulichte Querschnitt von 1 braucht nur einer Sektion, zum Beispiel einer Sektion einer Einheitszelle, zu entsprechen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement 100 ein Leistungshalbleiterbauelement, das – in der Draufsicht – mehrere Einheitszellen enthält, die typischerweise ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Gitter bilden.
  • Des Weiteren kann die Drain-Metallisierung 11 vollständig die gegenüberliegende Fläche 102 bedecken.
  • Gemäß einer Ausführungsform grenzt eine Anodenregion 15 eines zweiten Halbleitermaterials, das einen zweiten Bandabstand hat, der zum Beispiel um mindestens 0,2 eV, bevorzugt um mindestens 0,4 eV, besonders bevorzugt um mindestens 1 eV kleiner als der erste Bandabstand ist, an die Driftregion 1. Dementsprechend wird ein Heteroübergang 14 zwischen der Driftregion 1 und der Anodenregion 15 gebildet. Typischerweise ist die Anodenregion 15 vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Die Anodenregion 15 ist von der Source-Region 3 beabstandet, steht aber in widerstandsbehafteter, typischerweise gering-widerstandsbehafteter, Verbindung mit der Source-Metallisierung 10 bzw. der Source-Region 3. Dementsprechend wird eine integrierte Heteroübergangs-Diode zwischen der Anodenregion 15 und der Driftregion 1 gebildet, die als integrierte Freilaufdiode betrieben werden kann. Im Allgemeinen enthält der Halbleiterkörper zwei Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandabständen und einen dazwischen ausgebildeten Heteroübergang 14.
  • Des Weiteren erfordert das Integrieren der Freilaufdiode in das Halbleiterbauelement 100 keine komplexen zusätzlichen Prozessschritte.
  • Zum Beispiel wird in einer ersten Prozesssequenz eine Ausschalt-JFET-Halbleiterstruktur gebildet, die nur Halbleiterregionen aus dem ersten Halbleitermaterial enthält, zum Beispiel Si, GaN oder SiC. Dies findet typischerweise auf der Waferebene statt und kann einen oder mehrere epitaxiale Abscheidungsprozesse und/oder einen oder mehrere Implantationsprozesse enthalten, gefolgt von thermischem Einarbeiten und/oder einem oder mehreren Eindiffundierprozessen, um die Halbleiterregionen 1 bis 6 des ersten Halbleitermaterials in und/oder auf einem Wafer des ersten Halbleitermaterials, zum Beispiel einem SiC-Wafer, zu bilden, so dass die JFET-Struktur mindestens eine Driftregion 1 des ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zu der Hauptfläche 101 erstreckt, eine Gate-Region 2, die einen pn-Übergang mit der Driftregion 2 bildet, und eine Source-Region 3 des ersten Leitfähigkeitstyps – in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion 1 und mit einer höheren maximalen Dotierungskonzentration als die Driftregion 1 – enthält.
  • Danach wird eine Anodenregion 15 eines zweiten Leitfähigkeitstyps und aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand, der geringer als der erste Bandabstand ist, auf der Hauptfläche 101 so ausgebildet, dass die Anodenregion 15 einen Heteroübergang 14 mit der Driftregion 1 bildet.
  • Danach können eine Source-Metallisierung 10 in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Source-Region 3 und der Anodenregion 15 und eine Gate-Metallisierung 12 in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Gate-Region 2 gebildet werden. Des Weiteren kann eine Drain-Metallisierung 11 gegenüber der Source-Metallisierung 10 und in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion 1, zum Beispiel über eine höher-dotierte Drain-Region 5 des ersten Leitfähigkeitstyps, gebildet werden.
  • Die Source-Metallisierung 10 und die Anodenregion 15 können in einem anderen vertikalen Querschnitt bzw. in der Draufsicht aneinander grenzen. Dementsprechend ist keine weitere Kontaktinsel und externe Verdrahtung zum Verbinden der Anodenregion 15 erforderlich.
  • In der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist die Anodenregion 15 über der Driftregion 1 und – in der Draufsicht – zwischen den zwei Abschnitten der Gate-Region 2 angeordnet. Dementsprechend ist kein zusätzlicher Platz für das Integrieren der Freilaufdiode in den JFET erforderlich.
  • Des Weiteren ist die Anodenregion 15 von der Gate-Region 2 beabstandet und bildet einen Heteroübergang 14 nur mit der Driftregion 1.
  • Das erste Halbleitermaterial, das auch als erstes Bandabstandsmaterial (engl.: first band-gap material) bzw. erstes Material mit einem ersten Bandabstand bezeichnet wird, ist monokristallin und kann zum Beispiel GaN, SiC, Si oder SixGe1-x sein, wobei x kleiner als etwa 0,3 ist. SixGe1-x kann aufgrund des reduzierten Lochstroms zum Erhöhen der Grenzfrequenz der Transistorstruktur verwendet werden. Zu typischen Kombinationen des ersten Halbleitermaterials und des zweiten Halbleitermaterials gehören SiC/Si, SiC/Ge, Si/Ge und GaN/Si, um nur einige zu nennen.
  • Das zweite Halbleitermaterial, das auch als zweites Bandabstandsmaterial (engl.: second band-gap material) bzw. zweites Material bezeichnet wird, kann auch ein monokristallines Halbleitermaterial sein.
  • In anderen Ausführungsformen wird die Anodenregion 15 durch ein nichtmonokristallines Halbleitermaterial gebildet, zum Beispiel ein polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial. Dies vereinfacht die Herstellung.
  • Zum Beispiel kann die Anodenregion 15 auf 4H-SiC durch Abscheiden einer dotierten polykristallinen Si-Schicht zum Beispiel mittels chemischer Niederdruckdampfabscheidung (Low Pressure Chemical Vapour Deposition, LPCVD) und maskiertem Rückätzen gebildet werden. Andere Polytypen von SiC, wie zum Beispiel 6H, 3C oder dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Die polykristalline Si-Schicht bzw. die Anodenregion 15 können eine vertikale Dicke von etwa 200 nm bis etwa 1 μm, zum Beispiel etwa 500 nm, haben. Die maximale Dotierungskonzentration der Anodenregion 15 typischerweise vom p-Typ kann mindestens etwa 1019 cm–3, zum Beispiel etwa 1020 cm–3 oder noch höher, sein, während die maximale Dotierungskonzentration der Driftregion 1 typischerweise vom n-Typ nur etwa 1016 cm–3, d. h. typischerweise mindestens drei Größenordnungen geringer, zum Beispiel etwa vier Größenordnungen geringer, zu sein braucht als die maximale Dotierungskonzentration der Anodenregion 15. Unter diesen Bedingungen ist der Leckstrom der gebildeten Heteroübergangs-Diode etwa eine Größenordnung geringer als bei einer integrierten Schottky-Diode, während der Ein-Widerstand um einen Faktor von etwa 5 reduziert wird und die Sperrspannung im Vergleich zur integrierten Schottky-Diode um etwa 30% vergrößert wird. Dementsprechend wird die Leistung des Bauelements gegenüber der Verwendung integrierter Schottky-Dioden deutlich gesteigert.
  • Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Halbleiterkörper des ersten Bandabstandsmaterials zu der Hauptfläche 101 und enthält in dem veranschaulichten vertikalen Querschnitt: eine Driftregion 1 des ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zu der Hauptfläche 101 erstreckt; zwei Kanalregionen 1a des ersten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion 1 voneinander beabstandet sind und an diese grenzen; zwei Gate-Regionen 2 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion 1 voneinander beabstandet sind, wobei jede der zwei Gate-Regionen 2 einen jeweiligen pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen 1a bildet; zwei Body-Regionen 4, die vertikal unter den zwei Gate-Regionen 2 angeordnet sind, wobei jede der zwei Body-Regionen 4 einen weiteren oder unteren pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen 1a bildet; und zwei Source-Regionen 3 des ersten Leitfähigkeitstyps. Jede der zwei Source-Regionen 3 hat eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die zwei Kanalregionen 1a und grenzt an eine der zwei Kanalregionen 1a. Eine Anodenregion 15 aus einem zweiten Bandabstandsmaterial ist auf der Hauptfläche 101 angeordnet. Der Bandabstand des zweiten Bandabstandsmaterials ist geringer als der Bandabstand des ersten Bandabstandsmaterials. Die Anodenregion 15 ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und bildet einen Heteroübergang 14 mit der Driftregion 1.
  • Aufgrund der Anordnung der Anodenregion 15 auf der Hauptfläche 101 wird die Herstellung des Halbleiterbauelements 100 im Vergleich zum Ausbilden des Heteroübergangs unter der Hauptfläche 101 bzw. in einem Abstand von der Hauptfläche 101, zum Beispiel als eine vergrabene Region, vereinfacht.
  • In anderen Ausführungsformen kann sich die Anodenregion 15 über die Hauptfläche 101 erstrecken und/oder kann in einem flachen Graben ausgebildet werden. In diesen Ausführungsformen ist die Anodenregion 15 mindestens an der Hauptfläche 101 angeordnet.
  • 2 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 200. Das in 2 gezeigte Halbleiterbauelement 200 ähnelt dem Halbleiterbauelement 100, das oben mit Bezug auf 1 erläutert wurde. Das Halbleiterbauelement 200 kann auch als Ausschalt-JFET betrieben werden und enthält eine integrierte Heteroübergangs-Diode, die eine Freilaufdiode bildet. Jedoch grenzen in der in 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform die Anodenregion(en) 15 mindestens an die Body-Kontaktregionen 6. Des Weiteren gibt es nur eine einzige Gate-Region 2, die sich, in horizontaler Richtung, mindestens zwischen den zwei Abschnitten der Source-Region 3 erstreckt.
  • In der in 2 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Anodenregion(en) 15 zu einer weiteren horizontalen Fläche 103 des Halbleiterkörpers, d. h. die an der horizontalen Fläche 103 angeordnet ist. Dies kann ebenfalls die Herstellung vereinfachen.
  • Den Halbleiterbauelementen 100, 200, die oben mit Bezug auf die 1, 2 erläutert wurden, ist gemein, dass ein Halbleiterkörper aus einem ersten Bandabstandsmaterial in einem Querschnitt, der im Wesentlichen vertikal zur Hauptfläche 101 verläuft, Folgendes enthält: eine Driftregion 1 eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine erste Kanalregion 1a des ersten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion 1 grenzt; eine erste Gate-Region 2, die einen ersten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion 1a bildet; eine erste Body-Region 4, die unter der ersten Gate-Region 2 angeordnet ist und einen zweiten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion 1a bildet, dergestalt, dass die erste Kanalregion 1a zwischen dem ersten pn-Übergang und dem zweiten pn-Übergang angeordnet ist; und eine erste Source-Region 3 des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die erste Kanalregion 1a hat und an diese grenzt. Eine Anodenregion 15 aus einem zweiten Bandabstandsmaterial mit einem zweiten Bandabstand, der geringer als ein Bandabstand des ersten Bandabstandsmaterials ist, bildet einen Heteroübergang 14 mit der Driftregion 1. Die Anodenregion 15 ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Der Heteroübergang 14 und die erste Source-Region 3 überlappen sich in der Draufsicht nicht.
  • 3 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 300. Das Halbleiterbauelement 300 kann auch als Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit einer Freilaufdiode betrieben werden, die durch eine integrierte Heteroübergangs-Diode gebildet wird.
  • Das Halbleiterbauelement 300 enthält typischerweise eine Graben-Gate-MOSFET-Struktur. In der beispielhaften Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper fünf Halbleiterregionen 1 und 3 bis 6 aus einem ersten Halbleitermaterial, und zwar eine Driftregion 1 einer ersten Leitfähigkeit, eine Source-Region 3 des ersten Leitfähigkeitstyps, die von der Driftregion 1 beabstandet ist, eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Driftregion 1 hat und sich zu einer Hauptfläche 101 des Halbleiterkörpers erstreckt, eine Body-Region 4 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die zwischen der Source-Region 3 und der Driftregion 1 angeordnet ist und jeweilige pn-Übergänge mit ihnen bildet, eine Drain-Kontaktregion 5 des ersten Dotierungstyps, die sich zu einer gegenüberliegenden Fläche 102 erstreckt, und eine Body-Kontaktregion 6, die sich zu der Hauptfläche 101 erstreckt.
  • Eine Gate-Elektrode 9 ist in einem vertikalen Graben angeordnet, der sich von der Hauptfläche 101 entlang der Source-Region 3 und der Body-Region 4 und in die Driftregion 1 hinein erstreckt. Die Gate-Elektrode 9 ist von der Source-Region 3, der Driftregion 1 und der Body-Region 4 durch eine Gatedielektrikumregion 8 isoliert. Dementsprechend kann eine Kanalregion des ersten Leitfähigkeitstyps in der Body-Region 4 entlang der Gatedielektrikumregion 8 durch zweckmäßiges Ansteuern der Gate-Elektrode 9 gebildet werden.
  • Eine Anodenregion 15 eines zweiten Leitfähigkeitstyps und aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand, der geringer als der erste Bandabstand ist, ist zwischen der Driftregion 1 und der Hauptfläche 101 angeordnet und bildet einen Heteroübergang 14 mit der Driftregion 1.
  • In der in 3 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform grenzt die Anodenregion 15 an eine erste und eine zweite Body-Kontaktregion 6, bzw. einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt der Body-Kontaktregion 6, von zwei benachbarten MOSFET-Zellen, von denen jede eine jeweilige Graben-Gate-Elektrodenstruktur 8, 9 hat. Das Halbleiterbauelement 300 ist typischerweise ein Leistungshalbleiterbauelement, das mehrere MOSFET-Zellen enthält.
  • Eine Source-Metallisierung 10 ist auf der Hauptfläche 101 angeordnet und steht in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Source-Region 3, der Anodenregion 15 und der Body-Kontaktregion 6.
  • Des Weiteren ist eine Drain-Metallisierung 11 auf der gegenüberliegenden Fläche 102 angeordnet und steht über eine Drain-Kontaktregion 5 in gering-widerstandsbehafteter Verbindung mit der Driftregion 1. Im Interesse der besseren Erkennbarkeit wurde in 3 auf die Darstellung einer Gate-Metallisierung, die auf der Hauptfläche 101 angeordnet sein kann und in widerstandsbehafteter Verbindung mit der oder den Gate-Elektroden 9 steht, verzichtet.
  • Die Materialeigenschaften des Halbleiterbauelements 300 können so gewählt werden, wie es oben mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert wurde.
  • Dank der integrierten Heteroübergangs-Diode wird die Bauelement-Leistung des Halbleiterbauelements 300 im Vergleich zu ähnlichen Bauelementen mit einer integrierten Schottky-Diode typischerweise verbessert.
  • 4 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 400. Das Halbleiterbauelement 400 ähnelt dem Halbleiterbauelement 300, das oben mit Bezug auf 3 erläutert wurde, und kann ebenfalls als ein MOSFET mit integrierter Freilaufdiode betrieben werden. Jedoch hat das in 4 veranschaulichte Halbleiterbauelement 400 keine Body-Kontaktregion. Stattdessen grenzt die typischerweise hoch-dotierte Anodenregion 15 an die Body-Region 4, um einen Kontakt zu der Source-Metallisierung 10 herzustellen. Auf diese Weise wird eine hohe Latch-up-Stabilität des Halbleiterbauelements 400 ohne eine zusätzliche Body-Kontaktregion gewährleistet. Dies vereinfacht die Herstellung.
  • Die in den 3 und 4 veranschaulichten Halbleiterbauelemente 300, 400 können ähnlich gebildet werden, wie es oben mit Bezug auf 1 erläutert wurde, d. h. durch Bilden einer MOSFET-Struktur, die eine isolierte Graben-Gate-Elektrode in einem Halbleiterkörper aus dem ersten Halbleitermaterial enthält, Bilden eines zusätzlichen Grabens in dem Halbleiterkörper, und Füllen des zusätzlichen Grabens mit einem zweiten Halbleitermaterial mit einem geringeren Bandabstand. Danach können die Source-, Gate- und Drain-Metallisierungen gebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements enthält das Feldeffekt-Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper und eine Source-Elektrode. Der Halbleiterkörper enthält eine Driftregion, eine Gate-Region und eine Source-Region aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem ersten Bandabstand und eine Anodenregion aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand, der geringer als der erste Bandabstand ist. Die Driftregion ist von einem ersten Leitfähigkeitstyp. Die Gate-Region bildet einen pn-Übergang mit der Driftregion. Die Source-Region ist von dem ersten Leitfähigkeitstyp und steht in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Driftregion und hat eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Driftregion. Die Anodenregion ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp, bildet einen Heteroübergang mit der Driftregion und ist von der Source-Region beabstandet. Die Source-Metallisierung steht in widerstandsbehafteter elektrischer Verbindung mit der Source-Region und der Anodenregion.
  • Obgleich verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erreichen, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, ebenso an ihre Stelle treten können. Es soll erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezug auf eine konkrete Figur erläutert wurden, mit Merkmalen aus anderen Figuren kombiniert werden können, selbst in Fällen, in denen es nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Solche Modifizierungen am erfinderischen Konzept sollen ebenfalls durch die beiliegenden Ansprüche erfasst werden.
  • Räumlich relative Begriffe wie zum Beispiel „unter”, „unterhalb”, „unterer”, „über”, „oberer” und dergleichen werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen auch verschiedene Ausrichtungen des Bauelements zusätzlich zu anderen Ausrichtungen als denen, die in den Figuren gezeigt sind, beinhalten. Des Weiteren werden auch Begriffe wie zum Beispiel „erster”, „zweiter” und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Sektionen usw. zu beschreiben, und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Im Sinne des vorliegenden Textes sind die Begriffe „haben”, „aufweisen”, „enthalten”, „umfassen” und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein genannter Elemente oder Merkmale angeben, aber keine weiteren Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein/einer/eine” und „der/die/das” beinhalten sowohl die Einzahlbedeutung als auch die Mehrzahlbedeutung, sofern der Kontext nicht eindeutig ein anderes Verständnis verlangt.
  • Mit der obigen Bandbreite an Variationen und Anwendungen vor Augen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die obige Beschreibung noch durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung ausschließlich durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente beschränkt.

Claims (25)

  1. Feldeffekt-Halbleiterbauelement, umfassend: – einen Halbleiterkörper aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand und mit einer Hauptfläche, wobei der Halbleiterkörper in einem Querschnitt, der im Wesentlichen vertikal zur Hauptfläche verläuft, Folgendes umfasst: – eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps; – eine erste Kanalregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion grenzt; – eine erste Gate-Region, die einen ersten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion bildet; – eine erste Body-Region, die unter der ersten Gate-Region angeordnet ist und einen zweiten pn-Übergang mit der ersten Kanalregion bildet, so dass die erste Kanalregion zwischen dem ersten pn-Übergang und dem zweiten pn-Übergang angeordnet ist; und – eine erste Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die erste Kanalregion aufweist und an die erste Kanalregion grenzt; und – eine Anodenregion aus einem zweiten Material mit einem geringeren Bandabstand als das erste Material, wobei die Anodenregion von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen Heteroübergang mit der Driftregion bildet, wobei der Heteroübergang und die erste Source-Region in der Draufsicht einander nicht überlappen.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das des Weiteren im Querschnitt mindestens eines von Folgendem umfasst: – eine zweite Kanalregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion grenzt; – eine zweite Gate-Region, die einen dritten pn-Übergang mit der zweiten Kanalregion bildet; – eine zweite Body-Region, die unter der zweiten Gate-Region angeordnet ist und einen vierten pn-Übergang mit der zweiten Kanalregion bildet, so dass die zweite Kanalregion zwischen dem dritten pn-Übergang und dem vierten pn-Übergang angeordnet ist; – eine zweite Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die zweite Kanalregion aufweist und an die zweite Kanalregion grenzt; – eine Source-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit der Anodenregion, der ersten Source-Region, der zweiten Source-Region, der ersten Body-Region und/oder der zweiten Body-Region; – eine Gate-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit der ersten Gate-Region und/oder der zweiten Gate-Region; und – eine Drain-Metallisierung, die gegenüber der Source-Metallisierung und in ohmischem Kontakt mit der Driftregion angeordnet ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei sich die Driftregion bis zu der Hauptfläche erstreckt und wobei die Anodenregion über der Driftregion angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das erste Material aus der Gruppe bestehend aus GaN, SiC, Si und SixGe1-x ausgewählt ist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das zweite Material aus der Gruppe bestehend aus Si und Ge ausgewählt ist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das zweite Material ein nichtmonokristallines Halbleitermaterial ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine maximale Dotierungskonzentration der Anodenregion mindestens drei Größenordnungen höher ist als eine maximale Dotierungskonzentration der Driftregion.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Anodenregion eine maximale Dotierungskonzentration von mindestens etwa 1020 cm–3 hat.
  9. Feldeffekt-Halbleiterbauelement, das Folgendes umfasst: – einen Halbleiterkörper aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand, der eine Hauptfläche aufweist und in einem Querschnitt, der im Wesentlichen vertikal zur Hauptfläche verläuft, Folgendes umfasst: – eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zu der Hauptfläche erstreckt; – zwei Kanalregionen des ersten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion voneinander beabstandet sind; – zwei Gate-Regionen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die durch die Driftregion voneinander beabstandet sind, wobei jede der zwei Gate-Regionen einen jeweiligen pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen bildet; – zwei Body-Regionen, die vertikal unter den zwei Gate-Regionen angeordnet sind, wobei jede der zwei Body-Regionen einen weiteren pn-Übergang mit einer der zwei Kanalregionen bildet; – zwei Source-Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei jede der zwei Source-Regionen eine höhere maximale Dotierungskonzentration umfasst als eine angrenzende der zwei Kanalregionen; und – eine Anodenregion aus einem zweiten Material, die an der Hauptfläche angeordnet ist, wobei das zweite Material einen geringeren Bandabstand hat als das erste Material, wobei die Anodenregion von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen Heteroübergang mit der Driftregion bildet.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die Anodenregion den Heteroübergang nur mit der Driftregion bildet.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, das des Weiteren in dem Querschnitt mindestens eines von Folgendem umfasst: – eine Source-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit der Anodenregion, den zwei Source-Regionen und/oder den zwei Body-Regionen; – eine Gate-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit mindestens einer der zwei Gate-Regionen; und – eine Drain-Metallisierung, die gegenüber der Source-Metallisierung und in ohmischem Kontakt mit der Driftregion angeordnet ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei die Anodenregion von den zwei Gate-Regionen, den zwei Body-Regionen und/oder den zwei Source-Regionen in der Draufsicht beabstandet ist.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei eine maximale Dotierungskonzentration der Anodenregion mindestens drei Größenordnungen höher als eine maximale Dotierungskonzentration der Driftregion ist.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei das erste Material ein monokristallines Halbleitermaterial ist, das aus der Gruppe bestehend aus GaN, SiC, Si und SixGe1-x ausgewählt ist.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei das zweite Material aus der Gruppe bestehend aus Si und Ge ausgewählt ist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei das zweite Material ein nichtmonokristallines Halbleitermaterial ist.
  17. Feldeffekt-Halbleiterbauelement, das Folgendes umfasst: – einen Halbleiterkörper mit einer Hauptfläche, wobei der Halbleiterkörper in einem Querschnitt, der im Wesentlichen orthogonal zu der Hauptfläche verläuft, Folgendes umfasst: – eine Driftregion aus einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand, wobei die Driftregion von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist; – eine Source-Region aus dem ersten Material, wobei die Source-Region von dem ersten Leitfähigkeitstyp ist und eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Driftregion hat; – eine Body-Region aus dem ersten Material, wobei die Body-Region von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und zwischen der Source-Region und der Driftregion angeordnet ist; – eine Gate-Elektrode, die in einem vertikalen Graben angeordnet ist, der sich von der Hauptfläche mindestens teilweise in der Driftregion erstreckt, wobei die Gate-Elektrode von der Source-Region, der Driftregion und der Body-Region durch eine Gatedielektrikumregion isoliert ist; und – eine Anodenregion aus einem zweiten Material mit einem geringeren Bandabstand als das erste Material, wobei die Anodenregion von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, einen Heteroübergang mit der Driftregion bildet und unter der Hauptfläche angeordnet ist.
  18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, wobei das zweite Material ein nichtkristallines Halbleitermaterial ist.
  19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, das des Weiteren eine Source-Metallisierung umfasst, die auf der Hauptfläche angeordnet ist und in ohmischem Kontakt mit der Source-Region und der Anodenregion steht.
  20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, wobei eine maximale Dotierungskonzentration der Anodenregion mindestens drei Größenordnungen höher als eine maximale Dotierungskonzentration der Driftregion ist.
  21. Verfahren zum Bilden eines Feldeffekt-Halbleiterbauelements, umfassend: – Bilden einer JFET-Struktur in einem ersten Material mit einem ersten Bandabstand, so dass die JFET-Struktur Folgendes umfasst: – eine Driftregion eines ersten Leitfähigkeitstyps, die sich bis zu einer Hauptfläche erstreckt; – eine erste Gate-Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die an die Driftregion grenzt; – eine erste Source-Region des ersten Leitfähigkeitstyps und in ohmischem Kontakt mit der Driftregion über eine erste Kanalregion, die eine geringere maximale Dotierungskonzentration aufweist als die erste Source-Region; – eine erste Body-Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die unter der ersten Gate-Region angeordnet ist und an die erste Kanalregion grenzt, so dass die erste Kanalregion zwischen der ersten Gate-Region und der ersten Body-Region angeordnet ist; und – Bilden einer Anodenregion an der Hauptfläche aus einem zweiten Material mit einem geringeren Bandabstand als das erste Material, wobei die Anodenregion von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen Heteroübergang mit der Driftregion bildet.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bilden der Anodenregion mindestens eines von Folgendem umfasst: – Abscheiden des zweiten Materials als eine polykristalline Halbleiterschicht; – Abscheiden des zweiten Materials als eine amorphe Halbleiterschicht; – maskiertes Ätzen der polykristallinen Halbleiterschicht; und – maskiertes Ätzen der amorphen Halbleiterschicht.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Anodenregion mit einer maximalen Dotierungskonzentration gebildet wird, die mindestens drei Größenordnungen höher als eine maximale Dotierungskonzentration der Driftregion ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, das des Weiteren mindestens eines von Folgendem umfasst: – Bilden einer Source-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit der ersten Source-Region, der ersten Body-Region und der Anodenregion; – Bilden einer Gate-Metallisierung in ohmischem Kontakt mit der Gate-Region; und – Bilden einer Drain-Metallisierung gegenüber der Source-Metallisierung und in ohmischem Kontakt mit der Driftregion.
  25. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bilden der JFET-Struktur mindestens eines von Folgendem umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers, der eine Halbleiterschicht aus dem Material und des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – Bilden einer zweiten Gate-Region aus dem ersten Material und des zweiten Leitfähigkeitstyps, die von der ersten Gate-Region durch die Driftregion beabstandet ist; – Bilden einer zweiten Source-Region aus dem ersten Material und in ohmischem Kontakt mit der Driftregion durch eine zweite Kanalregion aus dem ersten Material und mit einer geringeren maximalen Dotierungskonzentration als die zweite Source-Region; und – Bilden einer zweiten Body-Region aus dem ersten Material und des zweiten Leitfähigkeitstyps unter der zweiten Gate-Region, die an die zweite Kanalregion grenzt, dergestalt, dass die zweite Kanalregion zwischen der zweiten Gate-Region und der zweiten Body-Region angeordnet ist.
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