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Bereich der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
feldgesteuerte Bauelemente und insbesondere Bauelemente, die in
Siliciumcarbid ausgebildet sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mit zunehmendem Bedarf an schnelleren Schaltungen
höherer
Leistung nimmt auch die Nachfrage nach Bauelementen mit höheren Schaltgeschwindigkeiten,
höherer
Stromtragfähigkeit
sowie höheren
Rückwärtssperr-Durchbruchspannungen zu.
Anwendungen wie Leistungsmodule für Motor- und Generatorsteuerung,
elektronische Vorschaltgeräte
für die
Beleuchtungssteuerung, Industrieroboter, Display-Treiber, Kfz-Zünd- und
Automationssteuerung würden
alle von schnelleren Schaltern mit höherer Leistung profitieren.
Existierende Implementationen von schnelleren Leistungs-MOSFETs,
IBGTs oder MOSgesteuerten Thyristoren haben jedoch den Erfolg bei
der Erzeugung von Bauelementen mit sehr hoher Rückwärtssperr-Durchbruchspannung,
einem geringen Leckstrom, niedrigem Vorwärtsdurchlasswiderstand und
hoher Umschaltgeschwindigkeit begrenzt. Feldgesteuerte Thyristoren
wurden als Hochleistungsbauelemente untersucht, aber diese Bauelemente
waren hinsichtlich ihrer Schaltgeschwindigkeiten begrenzt. Es sind
weitere Entwicklungen erforderlich, um ein Hochleistungs-Hochstrom-Bauelement
mit hohen Schaltgeschwindigkeiten zu erzeugen.
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Der feldgesteuerte Bipolarschalter
ist ein dreipoliges Bauelement, bei dem eine P-i-N-Gleichrichterstruktur
eine Gatestruktur hat, die den Stromfluss zwischen Anoden- und Kathodenanschluss
regeln soll. Da diese Bauelemente unter einem hohen Niveau an injizierten
Minoritätsträgern in
der Driftzone arbeiten können,
arbeiten feldgesteuerte Thyristoren bei sehr hohen Stromdichten
mit einem niedrigen Vorwärtsspannungsabfall.
Leider konnten feldgesteuerte Thyristoren aufgrund des hohen Niveaus
an injizierten Minoritätsträgern nicht
bei hohen Frequenzen arbeiten. In der Tat haben die gespeicherten
Minoritätsträger in der
Driftzone die Schaltgeschwindigkeit früherer Bauelemente auf unter
1 MHz begrenzt. In der Tat liegen typische erzwungene Gateabschaltzeiten
für existierende
feldgesteuerte Thyristoren zwischen 1 und 20 μs, je nach der bauartbedingten Durchbruchspannung
des Bauelementes und den Torsteuerungstechniken (Baliga, B. J.,
Modern Power Devices, 1987, S. 196–260).
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Das kürzlich erteilte US-Patent Nr.
5,387,805 von Metzler et al. beschreibt einen feldgesteuerten Thyristor,
bei dem der Strompfad von der Anode zur Kathode durch eine Kanalzone
an einer Leerstelle in der Kanalschicht verläuft. Das Bauelement klemmt den
Strom mittels p-leitender Zonen ab, die die Leerstelle umgeben.
Dieses Bauelement ist jedoch auf Stromdichten unter 400 A/cm2 begrenzt, hat einen Spannungssperrverstärkungsfaktor
von 150 und ist auf Torspannungen von 2 bis 10 Volt begrenzt. Somit würde die
maximale theoretische Anodenspannung, die sich mit dem Bauelement
erzielen lässt,
1500 Volt betragen. Metzler et al. beschreiben auch verschiedene
andere Patente, die sich auf feldgesteuerte Bauelemente beziehen.
Wie jedoch von Metzler et al. beschrieben, beschreibt keines dieser
Patente Bauelemente mit den Eigenschaften der Bauelemente der vorliegenen
Erfindung.
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So beschreibt beispielsweise das
US-Patent Nr. 4,937,644 von Baliga einen asymmetrischen feldgesteuerten
Thyristor. Das Baliga-Patent beschreibt ein Bauelement, das einen
DC-Sperrverstärkungsfaktor
von mehr als 60 hat, und beansprucht eine höhere Schaltgeschwindigkeit,
enthält
aber keine Daten über
die Schaltgeschwindigkeit des Bauelementes. Dieses Bauelement ist
auf Vorwärtssperrspannungen
von bis zu etwa 2000 Volt begrenzt.
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Es besteht somit weiterhin Bedarf
an der Entwicklung von feldgesteuerten Hochleistungsbauelementen,
die höhere
Durchbruchspannungen, einen niedrigeren Durchlasswiderstand, höhere Stromfähigkeiten
und höhere
Schaltgeschwindigkeiten aufweisen.
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Die US-A-5,612,547 beschreibt einen
statischen Siliciumcarbid-Induktionstransistor, der aus Siliciumcarbid
6H gefertigt ist. Der bevorzugte statische Induktionstransistor
ist ein vertiefter Schottky-Barrierengatetyp, bei dem über Probleme
bei der Herstellung diffundierter p/n-Übergänge in Siliciumcarbid
berichtet wird. Die DE94 11 601 U weist Abbildungen von Bauelementen
mit einem Gategitter auf. Die europäische Patentanmeldung
EP 0 701 288 A2 beschreibt
verschiedene Siliciumbauelemente. Die PCT-Publikation WO 95/34915
beschreibt ein Halbleiterbauelement in Siliciumcarbid und berichtet über Probleme
bei der Herstellung von Bauelementen in Siliciumcarbid.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im Hinblick auf das oben Gesagte
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein feldgesteuertes
Bauelement mit höherer
Stromdichtekapazität als
existierende Bauelemente bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt liegt die vorliegende Erfindung
in einem feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Transistor gemäß Anspruch
1.
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Gemäß einem anderen Aspekt liegt
die vorliegende Erfindung in einem feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Transistor
gemäß Anspruch 2.
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Aufgrund der Erfindung kann ein feldgesteuertes
Bauelement eine höhere
Durchbruchspannung haben als frühere
Bauelemente, sowie verbesserte Schaltgeschwindigkeiten.
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In einer Ausgestaltung haben die
dritte epitaktische Schicht und die erste epitaktische Schicht im
Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration.
In einer anderen Ausgestaltung haben die dritte epitaktische Schicht
und die zweite epitaktische Schicht im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration.
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In noch einer weiteren Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung umfasst der feldgesteuerte Thyristor
ferner eine fünfte
epitaktische Schicht eines vierten Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberseite
des Substrats ausgebildet und zwischen Substrat und erster epitaktischen
Schicht angeordnet ist, wobei die erste epitaktische Schicht auf
der fünften
epitaktischen Schicht gebildet ist.
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In einer besonderen Ausgestaltung
des feldgesteuerten Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung
sind der erste Leitfähigkeitstyp
und der dritte Leitfähigkeitstyp
p-Leitfähigkeit
und der zweite Leitfähigkeitstyp
ist n-Leitfähigkeit.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist der erste ohmsche Kontakt ein
Kathodenkontakt und der zweite ohmsche Kontakt ein Anodenkontakt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung sind der erste Leitfähigkeitstyp und der dritte
Leitfähigkeitstyp
n-Leitfähigkeit.
Der zweite Leitfähigkeitstyp
ist dann p-Leitfähigkeit.
In einer solchen Ausgestaltung ist der erste ohmsche Kontakt ein
Anodenkontakt und der zweite ohmsche Kontakt ein Kathodenkontakt.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit einer Tunneldiode sind der erste und der zweite Leitfähigkeitstyp
n-Leitfähigkeit
und der dritte und vierte Leitfähigkeitstyp
sind p-Leitfähigkeit.
Bei einem solchen Bauelement ist der erste ohmsche Kontakt ein Kathodenkontakt
und der zweite ohmsche Kontakt ein Anodenkontakt.
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Substrat sowie erste, zweite, dritte
und vierte epitaktische Schicht können eine Mesa mit Seitenwänden bilden,
die die Peripherie des Thyristors definieren. Die Seitenwände der
Mesa können
nach unten in das Substrat verlaufen.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit Senkenanodenkontakten werden Zonen aus Siliciumcarbid
des ersten Leitfähigkeitstyps
im Substrat an der Basis der Mesa ausgebildet. Mit dem zweiten ohmschen
Kontakt elektrisch verbundene ohmsche Kontakte werden dann auf den
Zonen aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet.
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In einer alternativen Mesaausgestaltung
der vorliegenden Erfindung bilden die erste, zweite, dritte, vierte
und fünfte
epitaktische Schicht eine Mesa. Die Seitenwände der Mesa definieren die
Peripherie des Thyristors. Die Seitenwände der Mesa verlaufen nach
unten durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht
in die fünfte
epitaktische Schicht. Bei Bedarf können elektrisch mit dem zweiten
ohmschen Kontakt verbundene ohmsche Kontakte auf der fünften epitaktischen
Schicht an der Basis der Seitenwände
der Mesa ausgebildet werden.
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Eine alternative Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung kann auch eine Isolierschicht beinhalten,
die an den Seitenwänden
der Mesa ausgebildet ist, um die Seitenwände zu passivieren. Zusätzliche Ausgestaltungen
können
auch aus 4H-Polytyp-Siliciumcarbid gefertigt sein.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des
Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von
Gräben
in der dritten und der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet.
Die Mehrzahl der Zonen aus Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps,
die in der zweiten epitaktischen Schicht ausgebildet sind, befinden
sich am Boden der Mehrzahl von Gräben. Der ohmsche Gatekontakt
wird dann auf dem in den Gräben
ausgebildeten Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps gebildet. Der Fluss
von Strom zwischen dem genannten ersten ohmschen Kontakt und dem
genannten zweiten ohmschen Kontakt wird dadurch abgeklemmt, wenn eine
Vorspannung an den ohmschen Gatekontakt angelegt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung umfasst das Gategitter eine Mehrzahl von
verbundenen, ineinander greifenden Fingern. Bei Bedarf umfasst der
ohmsche Gatekontakt eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern, die
an den ineinander greifenden Fingern des Gategitters so ausgebildet
sind, dass die Finger des ohmschen Gatekontakts im Wesentlichen
parallel zu den Fingern des Gategitters verlaufen. In einem solchen Fall
kann der erste ohmsche Kontakt eine Mehrzahl von ineinander greifenden
Fingern umfassen, die auf der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet
und mit den Fingern des ohmschen Gatekontaktes durchsetzt sind.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit einer Mesa sind Zonen aus Siliciumcarbid des ersten
Leitfähigkeitstyps
im Substrat an der Basis der Mesa ausgebildet. Mit dem zweiten ohmschen Kontakt
elektrisch verbundene ohmsche Kontakte sind auf den Zonen aus Siliciumcarbid
des ersten Leitfähigkeitstyps
ausgebildet, so dass Senkenkontakte für das Bauelement entstehen.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung bilden die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische
Schicht eine Mesa mit Seitenwänden,
die die Peripherie des Thyristors definieren. Die Seitenwände der
Mesa verlaufen nach unten durch die erste, zweite und dritte epitaktische
Schicht und bis zu der oder in die vierte epitaktische Schicht.
In einer weiteren Ausgestaltung eines solchen Bauelementes werden
mit dem zweiten ohmschen Kontakt elektrisch verbundene ohmsche Kontakte
auf der vierten epitaktischen Schicht an der Basis der genannten Seitenwände der
Mesa ausgebildet, um Senkenkontakte für das Bauelement zu erzeugen.
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In Bauelementen mit einer Mesa beinhaltet eine
alternative Ausgestaltung eine Isolierschicht, die an den Seitenwänden der
Mesa gebildet ist, um die Seitenwände zu passivieren.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist
eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
mit einem vergrabenen Gategitter;
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1B ist
eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
mit einem vergrabenen Gategitter und einer optionalen epitaktischen
Siliciumcarbidschicht;
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2A ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung eines in Gräben
ausgebildeten Gategitters;
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2B ist
eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
mit einem in Gräben
ausgebildeten Gategitter und einer optionalen epitaktischen Siliciumcarbidschicht;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit Anodensenkenkontakten und einem vergrabenen Gategitter;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit Anodensenkenkontakten und einem in Gräben ausgebildeten
Gategitter;
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer fünften
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem vergrabenen Gategitter
und einer Tunneldiode;
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer sechsten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit einer Tunneldiode und einem in Gräben ausgebildeten Gategitter;
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7 ist
eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
mit einem vergrabenen Gategitter; und
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8 ist
eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung mit einem in Gräben
ausgebildeten Gate.
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Ausführliche
Beschreibung
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Gleiche Bezugsziffern beziehen sich überall auf
gleiche Elemente.
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1A der
Begleitzeichnungen illustriert eine erste Ausgestaltung des feldgesteuerten
Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1A dargestellt
ist, hat ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat 10 eines
ersten Leitfähigkeitstyps
mit einer Oberseite und einer Unterseite eine erste epitaktische
Schicht 20 aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
die auf der Oberseite des Substrats 10 ausgebildet ist.
Eine zweite epitaktische Schicht 22 aus Siliciumcarbid
des zweiten Leitfähigkeitstyps
ist auf der ersten epitaktischen Schicht 20 ausgebildet.
In der zweiten epitaktischen Schicht 22 ist eine Mehrzahl von
Zonen aus Siliciumcarbid eines dritten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, die
ein Gategitter 30 in der zweiten epitaktischen Schicht 22 bilden.
Eine dritte epitaktische Schicht 24 aus Siliciumcarbid
des zweiten Leitfähigkeitstyps
ist auf der zweiten epitaktischen Schicht 22 ausgebildet.
Wie 1A ebenfalls zeigt,
ist eine vierte epitaktische Schicht 26 aus Siliciumcarbid
des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der dritten epitaktischen Schicht 24 ausgebildet. Diese vierte
epitaktische Schicht 26 hat eine höhere Trägerkonzentration als die erste
epitaktische Schicht 20, die zweite epitaktische Schicht 22 oder
die dritte epitaktische Schicht 24.
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Ein erster ohmscher Kontakt 42 ist
auf der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet und kann entweder
ein Kathoden- oder ein Anodenkontakt sein, je nach dem Leitfähigkeitstyp
des Substrats und der epitaktischen Schichten. Ein zweiter ohmscher Kontakt 40 ist
auf der Unterseite des Substrats 10 ausgebildet und kann
ebenfalls eine Kathode oder eine Anode sein. Ein ohmscher Gatekontakt
ist in einer dritten Dimension ausgebildet und ist in 7 als Gatekontakt 46 dargestellt.
Dieser ohmsche Gatekontakt 46 ist so gebildet, dass er
die Mehrzahl von in der zweiten epitaktischen Schicht 22 ausgebildeten
Zonen 30 kontaktiert, um den Stromfluss zwischen dem ersten
ohmschen Kontakt 42 und dem zweiten ohmschen Kontakt 40 abzuklemmen,
wenn eine Vorspannung an den ohmschen Gatekontakt 46 angelegt
wird.
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Wie in 1A zu
sehen ist, wird die epitaktische Struktur bei Bedarf zu einer Mesa 36 mit
Seitenwänden 37 geformt,
die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 37 verlaufen vorzugsweise
durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 10.
Bei Bedarf wird eine Isolierschicht 38 an den Seitenwänden der
Mesa gebildet, um die Seitenwände
zu passivieren. Sie kann auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid der
Oberseite der Mesa wie z. B. bis zum ersten ohmschen Kontakt 42 und
auf die Basis der Mesa am Substrat 10 verlaufen.
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1B illustriert
eine alternative Ausgestaltung des feldgesteuerten Thyristors mit
vergrabenem Gate der vorliegenden Erfindung. 1B illustriert eine
fakultative fünfte
epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps.
Die fünfte
epitaktische Schicht 12 ist auf der Oberseite des Substrats 10 ausgebildet
und zwischen Substrat 10 und erster epitaktischen Schicht 20 angeordnet.
Die erste epitaktische Schicht 20 ist somit auf der fünften epitaktischen
Schicht 12 ausgebildet.
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1B illustriert
auch die epitaktische Struktur, die optional zu einer Mesa 36 mit
Seitenwänden 37 geformt
ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 37 verlaufen
vorzugsweise durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in
das Substrat 10. Alternativ können die Seitenwände 37 der
Mesa 36 durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische
Schicht 20, 22, 24 und 26 und auf
oder in die fünfte
epitaktische Schicht 12 verlaufen. Die Isolierschicht 38 kann
dann an den Seitenwänden
der Mesa ausgebildet werden, um die Seitenwände zu passivieren, und kann
auf die Oberseite der Mesa zum ersten ohmschen Kontakt 42 und
auf die Basis der Mesa an der fünften
epitaktischen Schicht 12 verlaufen.
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Der Bipolarschalter von 1A kann mit einem p-leitenden
Substrat ausgebildet werden oder kann ein n-leitendes Substrat verwenden.
In dem Fall, in dem das Substrat 10 aus Siliciumcarbid
mit p-Leitfähigkeit
gebildet ist, sind dann erster Leitfähigkeitstyp und dritter Leitfähigkeitstyp
p-leitendes Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps
wäre ein
n-leitendes Siliciumcarbid. In einem solchen Fall wären die
erste epitaktische Schicht 20, die zweite epitaktische
Schicht 22, die dritte epitaktische Schicht 24 und
die vierte epitaktische Schicht 26 aus Siliciumcarbid des
n-Leitfähigkeitstyps,
und das Substrat 10 und die Mehrzahl von Zonen des das
vergrabene Gate bildenden Gategitters 30 wären aus
Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit. In
einem solchen feldgesteuerten p-n-Bipolarschalter wäre der zweite
ohmsche Kontakt 40 der Anodenkontakt und der erste ohmsche
Kontakt 42 der Kathodenkontakt.
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In dieser Ausgestaltung sind das
Gategitter 30, das das vergrabene Gate des feldgesteuerten
Bipolarschalters bildet, und das Substrat 10 vorzugsweise
aus Siliciumcarbid mit p+ Leitfähigkeit.
Die hierin verwendeten Bezeichnungen „n+"
und „p+" beziehen sich auf Zonen, die durch eine
höhere
Trägerkonzentration
definiert werden als die, die in benachbarten oder anderen Zonen
derselben oder einer/eines anderen epitaktischen Schicht oder Substrats vorliegt.
Die erste epitaktische Schicht 20 besteht vorzugsweise
aus n– Siliciumcarbid,
die vierte epitaktische Schicht 26 besteht vorzugsweise
aus n+ Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische
Schicht 22 kann aus leicht dotiertem oder n– Siliciumcarbid
gebildet sein, das eine gleichmäßige tiefere
Trägerkonzentration
hat als die erste epitaktische Schicht 20. So ist die Mehrzahl
der Zonen des Gategitters 30, das das vergrabene Gate bildet,
vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration
ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 24 kann im
Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie
die erste epitaktische Schicht 20 oder im Wesentlichen
dieselbe Trägerkonzentration
wie die zweite epitaktische Schicht 22 haben.
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Für
das Bauelement von 1B kann die optionale
fünfte
epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps
aus Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit
wie z. B. hochdotiertes p+ Siliciumcarbid
sein. Eine Tunneldiodenstruktur kann mit dem Bauelement von 1B erzielt werden, indem der erste Leüfähigkeitstyp
zu Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit
wie n+ Siliciumcarbid gemacht wird. Bei
einem solchen Bauelement bilden das Substrat 10 und die
fünfte
epitaktische Schicht 12 eine Tunneldiode. Diese Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung ist in 5 illustriert.
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Die zu den oben beschriebenen Bauelementen
komplementären
Bauelemente können
ebenfalls aus einem n-leitenden Substrat gebildet werden. Für das komplementäre Bauelement
sind der erste Leitfähigkeitstyp
und der dritte Leitfähigkeitstyp
n-leitendes Siliciumcarbid. Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps
wäre p-leitendes
Siliciumcarbid. Somit wären
in dem komplementären
Bauelement die erste epitaktische Schicht 20, die zweite
epitaktische Schicht 22, die dritte epitaktische Schicht 24 und
die vierte epitaktische Schicht 26 Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit,
und das Substrat 10 und die Mehrzahl von Zones des das
vergrabene Gate bildenden Gategitters 30 wären aus
Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit.
Bei diesem komplementären
Bauelement wäre der
zweite ohmsche Kontakt 40 der Kathodenkontakt und der erste
ohmsche Kontakt 42 der Anodenkontakt.
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In dieser komplementären Ausgestaltung sind
die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 30, das das vergrabene
Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bildet, und das Substrat 10 vorzugsweise aus
Siliciumcarbid mit n+ Leitfähigkeit
gebildet. Die erste epitaktische Schicht 20 besteht vorzugsweise aus
p– Siliciumcarbid,
die vierte epitaktische Schicht 26 vorzugsweise aus p+
Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische Schicht 22 kann
aus leichtdotiertem oder p+ Siliciumcarbid
gebildet sein, hat aber eine niedrigere Trägerkonzentration als die erste
epitaktische Schicht 20. So ist die Mehrzahl der Zonen
des Gategitters 30, das das vergrabene Gate bildet, vorzugsweise
in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration
ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 24 kann im
Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration
wie die erste epitaktische Schicht 20 oder im Wesentlichen
dieselbe Trägerkonzentration
wie die zweite epitaktische Schicht 22 haben.
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Für
das komplementäre
Bauelement von 1B kann die optionale
fünfte
epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps
ein Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit
wie z. B. hochdotiertes n+ Siliciumcarbid
sein.
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2A illustriert
eine weitere Ausgestaltung des feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalters
der vorliegenden Erfindung. Wie in 2A zu
sehen ist, hat ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat 50 eines
ersten Leittähigkeitstyps
mit einer Oberseite und einer Unterseite eine erste epitaktische
Schicht 60 aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
die auf der Oberseite des Substrats 50 ausgebildet ist.
Die zweite epitaktische Schicht 62 aus Siliciumcarbid des
zweiten Leitfähigkeitstyps
ist auf der ersten epitaktischen Schicht 60 ausgebildet.
Eine dritte epitaktische Schicht 64 aus Siliciumcarbid
des zweiten Leitfähigkeitstyps
ist auf der zweiten epitaktischen Schicht 62 ausgebildet. Wie
ebenfalls in 2A zu sehen
ist, ist eine vierte epitaktische Schicht 66 aus Siliciumcarbid
des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der dritten epitaktischen Schicht 64 ausgebildet Diese
vierte epitaktische Schicht 66 hat eine höhere Trägerkonzentration
als die erste epitaktische Schicht 60, die zweite epitaktische
Schicht 62 oder die dritte epitaktische Schicht 64.
Eine Mehrzahl von Gräben 74 ist
in der dritten und der vierten epitaktischen Schicht 64 und 66 ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Zonen aus Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps,
die ein Gategitter 70 in der zweiten epitaktischen Schicht 62 bilden,
ist am Boden der Mehrzahl von Gräben 74 gebildet.
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Wie in 2A zu
sehen ist, ist der erste ohmsche Kontakt 82 auf der vierten
epitaktischen Schicht gebildet und kann ein Kathoden- oder ein Anodenkontakt
sein. Ein zweiter ohmschen Kontakt 80 ist auf der Unterseite
des Substrats 50 ausgebildet und kann ebenfalls eine Kathode
oder eine Anode sein. Ein ohmschen Gatekontakt ist als Gatekontakt 84 ausgebildet.
Der ohmsche Gatekontakt 84 ist auf der Mehrzahl von Zonen
des Gategitters 70 ausgebildet, das im Boden der Gräben 74 ausgebildet
ist. Dieser ohmsche Gatekontakt 84 ist so gestaltet, dass
er die Mehrzahl von Zonen des in der zweiten epitaktischen Schicht 62 gebildeten
Gategitters 70 kontaktiert, um den Stromfluss zwischen
dem ersten ohmschen Kontakt 82 und dem zweiten ohmschen
Kontakt 80 abzuklemmen, wenn eine Vorspannung an den ohmschen
Gatekontakt 84 angelegt wird.
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2A zeigt
auch, dass die epitaktische Struktur bei Bedarf zu einer Mesa 76 mit
Seitenwänden 77 geformt
ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 77 verlaufen vorzugsweise
durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 50.
Bei Bedarf wird eine Isolierschicht 78 an den Seitenwänden der
Mesa ausgebildet, um die Seitenwände
zu passivieren, und kann auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid der
Oberseite der Mesa wie z. B. bis zum ersten ohmschen Kontakt 82 und
auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid an der Basis der
Mesa am Substrat 50 verlaufen.
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2B illustriert
eine alternative Ausgestaltung des feldgesteuerten Bipolarschalters
mit vergrabenem Gate der vorliegenden Erfindung. 2B illustriert eine optionale fünfte epitaktische
Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps. Die fünfte epitaktische
Schicht 52 ist auf der Oberseite des Substrats 50 ausgebildet
und zwischen Substrat 50 und erster epitaktischen Schicht 60 angeordnet.
Die erste epitaktische Schicht 60 ist somit auf der fünften epitaktischen
Schicht 52 ausgebildet.
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2B illustriert
auch die epitaktische Struktur, die bei Bedarf zu einer Mesa 76 mit
Seitenwänden 77 geformt
ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 77 verlaufen vorzugsweise
durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 50.
Alternativ können die
Seitenwände 77 der
Mesa 76 durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische
Schicht 60, 62, 64 und 66 und
auf oder in die fünfte
epitaktische Schicht 52 verlaufen. Die Isolierschicht 78 kann
dann an den Seitenwänden
der Mesa ausgebildet werden, um die Seitenwände zu passivieren, und kann
auf die Oberseite der Mesa und auf die Basis der Mesa verlaufen.
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Der Bipolarschalter von 2A kann mit einem Substrat
mit p-Leitfähigkeit
oder unter Verwendung eines Substrats mit n-Leitfähigkeit
ausgebildet werden. In dem Fall, in dem das Substrat 50 aus
Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit
gebildet wird, sind der erste und der dritte Leitfähigkeitstyp
dann p-leitendes Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid des zweiten
Leitfähigkeitstyps
wäre n-leitendes
Siliciumcarbid. In einem solchen Fall wären die erste epitaktische Schicht 60,
die zweite epitaktische Schicht 62, die dritte epitaktische
Schicht 64 und die vierte epitaktische Schicht 66 Siliciumcarbid
mit n-Leitfähigkeit, und
das Substrat 50 und die das vergrabene Gate bildende Mehrzahl
von Zonen 70 wären
Siliciumcarbid mit p-Leittähigkeit.
Bei einem solchen p-n-feldgesteuerten Bipolarschalter wäre der zweite
ohmsche Kontakt 80 der Anodenkontakt und der erste ohmsche Kontakt 82 der
Kathodenkontakt.
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Bei einer solchen Ausgestaltung mit
p-leitendem Substrat bestehen die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 70,
die das vergrabene Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bilden,
und das Substrat 50 vorzugsweise aus p+ Siliciumcarbid.
Die erste epitaktische Schicht 60 ist vorzugsweise aus
n– Siliciumcarbid
gebildet, die vierte epitaktische Schicht 66 besteht vorzugsweise
aus n+ Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische
Schicht 62 kann aus leicht dotiertem oder n– Siliciumcarbid
gebildet sein, hat aber eine gleichmäßige niedrigere Trägerkonzentration
als die erste epitaktische Schicht 60. Somit ist die Mehrzahl der
Zonen 70, die das vergrabene Gate bilden, vorzugsweise
in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration
ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 64 kann im
Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration
wie die erste epitaktische Schicht 60 oder im Wesentlichen
dieselbe Trägerkonzentration
wie die zweite epitaktische Schicht 62 haben.
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Für
das Bauelement von 2B kann
die optionale fünfte
epitaktische Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps
ein Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit
wie z. B. hochdotiertes p+ Siliciumcarbid
sein. Eine Tunneldiodenstruktur kann unter Verwendung des Bauelementes
von 2B erzielt werden,
indem der erste Leitfähigkeitstyp
zu n-leitendem Siliciumcarbid wie n+ Siliciumcarbid
gemacht wird. Somit bilden das Substrat 50 und die fünfte epitaktische Schicht 52 eine
Tunneldiode. Diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
in 6 illustriert.
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Komplementäre Bauelemente können ebenfalls
auf einem n-leitenden Substrat gebildet werden. Für diese
komplementären
Bauelemente sind der erste und der dritte Leitfähigkeitstyp n-leitendes Siliciumcarbid.
Das Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps wäre p-leitendes
Siliciumcarbid. Somit wären
im komplementären
Bauelement die erste epitaktische Schicht 60, die zweite
epitaktische Schicht 62, die dritte epitaktische Schicht 64 und
die vierte epitaktische Schicht 66 Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit,
und das Substrat 50 und die Mehrzahl von das vergrabene
Gate bildenden Zonen 70 wären Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit.
Bei diesem komplementären
Bauelement wäre
der zweite ohmsche Kontakt 80 der Kathodenkontakt, und
der erste ohmsche Kontakt 82 wäre der Anodenkontakt.
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In der komplementären Ausgestaltung des Bauelementes
von 2A bestehen die
Mehrzahl der Zonen 70, die das vergrabene Gate des feldgesteuerten
Bipolarschalters bilden, und das Substrat 50 aus Siliciumcarbid
mit n+ Leitfähigkeit.
Die erste epitaktische Schicht 60 ist vorzugsweise aus
p– Siliciumcarbid
und die vierte epitaktische Schicht 66 vorzugsweise aus
p+ Siliciumcarbid gebildet. Die zweite epitaktische
Schicht 62 kann aus leichtdotiertem oder p–-Siliciumcarbid gebildet
sein, hat aber eine niedrigere Trägerkonzentration als die erste
epitaktische Schicht 60. So ist die Mehrzahl der Zonen 70,
die das vergrabene Gate bilden, vorzugsweise in der epitaktischen
Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration
ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 64 kann im
Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie
die erste epitaktische Schicht 60 oder im Wesentlichen
dieselbe Trägerkonzentration
wie die zweite epitaktische Schicht 62 haben.
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Für
das komplementäre
Bauelement von 2B kann
die optionale fünfte
epitaktische Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps
Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit
wie z. B. hochdotiertes n+ Siliciumcarbid
sein.
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3 illustriert
eine zusätzliche
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem Senkenkontakt.
Wie in 3 ersichtlich
ist, hat das Bauelement von 1A Zonen 11 aus
Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps,
die in dem Substrat 10 an der Basis der Mesa 36 ausgebildet
sind. Auf den Zonen 11 aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps
sind ohmsche Kontakte 48 ausgebildet, die mit dem zweiten
ohmschen Kontakt 40 elektrisch verbunden sind. Das Bauelement
von 3 kann in jeder
der verschiedenen, für
das Bauelement von 1A beschriebenen
Leitfähigkeitskombinationen gefertigt
werden. Die Zonen 11 sind mit demselben Leitfähigkeitstyp
ausgebildet wie das Substrat 10 und haben eine hohe Trägerkonzentration.
So wären
beispielsweise bei einem p-leitenden Substrat Zonen 11 aus
p+ Siliciumcarbid, und bei einem Substrat
mit n-Leitfähigkeit
wären die
Zonen 11 aus n+ Siliciumcarbid.
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Ein Senkenkontakt kann auch mit einem Bauelement
mit der optionalen fünften
epitaktischen Schicht 12 von 1B ausgebildet
sein. In einem solchen Fall ist die Mesa wie oben beschrieben ausgebildet
und verläuft
auf die oder in die fünfte
epitaktische Schicht 12, verläuft aber nicht in das Substrat 10.
Ohmsche Kontakte können
dann auf der fünften epitaktischen
Schicht 12 an der Basis der Seitenwände 37 der Mesa 36 ausgebildet
sein.
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4 illustriert
eine zusätzliche
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem Senkenkontakt.
Wie in 4 ersichtlich
ist, hat das Bauelement von 2A Zonen 51 aus
Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps,
die im Substrat 50 an der Basis der Mesa 76 ausgebildet
sind. Auf den Zonen 51 aus Siliciumcarbid des ersten Leittähigkeitstyps sind
ohmsche Kontakte 88 ausgebildet, die mit dem zweiten ohmschen
Kontakt 80 elektrisch verbunden sind. Das Bauelement von 4 kann in jeder der verschiedenen,
für das
Bauelement von 2A beschriebenen
Leitfähigkeitskombinationen
erzeugt werden. Die Zonen 51 werden dann mit demselben Leitfähigkeitstyp
gebildet wie das Substrat 50 und haben eine hohe Trägerkonzentration.
So wären
beispielsweise bei einem p-leitenden Substrat die Zonen 51 aus
p+ Siliciumcarbid, und bei einem Substrat mit
n-Leitfähigkeit
wären die
Zonen 51 aus n+ Siliciumcarbid.
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Auch ein Senkenkontakt kann mit einem Bauelement
mit einer optionalen fünften
epitaktischen Schicht 52 von 2B ausgebildet
werden. In einem solchen Fall wird die Mesa wie oben beschrieben
gebildet und verläuft
auf oder in die fünfte
epitaktische Schicht 52, verläuft aber nicht in das Substrat 50.
Ohmsche Kontakte würden
dann auf der fünften epitaktischen
Schicht 52 an der Basis der Seitenwände 77 der Mesa 76 ausgebildet.
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7 zeigt
eine Draufsicht auf die Bauelemente gemäß 1A, 1B, 3 und 5. in 7 zu sehen ist, ist der
Bipolarschalter der vorliegenden Erfindung als Mesa 36 mit
Seitenwänden 37 ausgebildet.
Das vergrabene Gategitter 30, das in 7 durch gestrichelte Linien angedeutet
ist, verläuft
lotrecht zum Gatekontakt 46, der das Gategitter 30 verbindet,
um eine Mehrzahl von verbundenen parallelen Fingern zu erzeugen.
Die Mehrzahl von Fingern des Gatekontakts 46 werden in
Gräben
ausgebildet, die nach unten auf die Oberseite des vergrabenen Gategitters 30 verlaufen,
um einen Kontakt mit dem vergrabenen Gategitter 30 zuzulassen. 7 zeigt auch eine Kontaktinsel 47,
die auf dem Gatekontakt 46 ausgebildet sein kann, um das
Zusammenschalten des Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung
zu erleichtern. 7 illustriert
auch den ersten ohmschen Kontakt 42, der ebenfalls aus
einer Mehrzahl von Fingern gebildet sein kann. Die Finger des ersten
ohmschen Kontaktes 42 können
mit den Fingern des Gatekontaktes 46 ineinander greifen. Eine
Kontaktinsel 43 kann auch auf dem ersten ohmschen Kontakt 42 ausgebildet
sein, um das Zusammenschalten des Bauelementes von 7 zu erleichtern. Für das Bauelement von 3 wäre der Kontakt 46 (in 7 nicht dargestellt), der
an der Basis der Mesa 36 ausgebildet ist, gemäß 7 so ausgebildet, dass er
die Mesa 36 umringt.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf die Bauelemente gemäß 2A, 2B, 4 und 6. In 8 entspricht
das mit 76 bezeichnete Element dem zuvor mit 76 nummerierten
Element, das mit 77 bezeichnete Element entspricht dem
zuvor mit 77 nummerierten Element, das mit 82 beschriftete
Element entspricht dem zuvor mit 82 nummerierten Element,
und das mit 84 beschriftete Element entspricht dem zuvor mit 84 nummerierten
Element. Gemäß 8 ist der Bipolarschalter
der vorliegenden Erfindung als Mesa 76 mit Seitenwänden 77 ausgebildet.
Das Gategitter 70 verläuft
parallel zum Gatekontakt 84, der das Gategitter 70 verbindet,
um eine Mehrzahl von verbundenen parallelen Fingern zu erzeugen.
Die Mehrzahl der Finger des Gatekontakts 84 wird dann in
den Gräben 74 ausgebildet
und ermöglicht
einen Kontakt mit dem Gategitter 70. 8 zeigt auch eine Kontaktinsel 85,
die auf dem Gatekontakt 84 ausgebildet sein kann, um das
Zusammenschalten des Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung
zu erleichtern.
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8 illustriert
auch den ersten ohmschen Kontakt 82, der eine Mehrzahl
von Fingern bilden kann. Die Finger des ersten ohmschen Kontakts 82 können mit
den Fingern des Gatekontakts 84 ineinander greifen. In
einem solchen Fall umfasst der ohmsche Gatekontakt 84 eine
Mehrzahl von auf den ineinander greifenden Fingern des Gategitters 70 ausgebildeten
ineinander greifenden Fingern, so dass die Finger des ohmschen Gatekontakts 84 im Wesentlichen
parallel zu den Fingern des Gategitters verlaufen. Der erste ohmsche
Kontakt 82 würde
dann eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern umfassen, die
auf der obersten epitaktischen Schicht ausgebildet sind, und diese
wären mit
den Fingern des ohmschen Gatekontakts 84 durchsetzt. Eine Kontaktinsel 83 kann
auch auf dem ersten ohmschen Kontakt 82 ausgebildet sein,
um das Zusammenschalten des Bauelementes von 8 zu erleichtern. Für das Bauelement von 4 würde der an der Basis der Mesa 76 ausgebildete
Kontakt 86 (in 8 nicht
zu sehen) so ausgebildet, dass er die in 8 gezeigte Mesa 76 umringt.
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In jeder der oben beschriebenen Ausgestaltungen
können
Substrat und epitaktische Schicht aus Siliciumcarbid gebildet sein,
das ausgewählt
wurde aus der Gruppe bestehend aus 6H, 4H, 15R oder 3C, aber Siliciumcarbid
4H wird für
jedes der oben beschriebenen Bauelemente bevorzugt. Das bevorzugte
Metall für
den Kontakt mit n-leitenden epitaktischen Schichten oder Substraten
ist Nickel (Ni). Platin oder Nickel ist zur Bildung von ohmschen
Kontakten mit p-leitenden epitaktischen Schichten oder Substraten
geeignet. Aluminiumverbindungskontakte können ebenfalls zum Bilden der
ohmschen Kontakte der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Es
werden zwar diese besonderen Metalle beschrieben, aber es können auch
andere Metalle verwendet werden, die der Fachperson bekannt sind
und die ohmsche Kontakte mit Siliciumcarbid bilden.
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Jetzt wird mit Bezug auf die 1A bis 8 die Herstellung
der oben beschriebenen Bauelemente beschrieben. Bei der Herstellung
des Bauelementes von 1A mit einem
p+ Substrat 10 wird eine dicke n– Schicht 20 auf
dem p+ Substrat 10 mittels eines epitaktischen
Wachstumsprozesses wie dem aufwachsen gelassen, der im US-Patent
Nr. 4,912,064 beschrieben ist, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit
durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Anodenkontakt 40 wird
am Boden des Substrats 10 durch Ausbilden eines ohmschen
Kontaktes mit dem p+ Substrat ausgebildet.
Eine zweite epitaktische n– Schicht 22 wird
auch auf der ersten epitaktischen n– Schicht 20 aufwachsen
gelassen. Diese zweite epitaktische Schicht 22 kann eine
niedrigere Trägerkonzentration
haben als die erste epitaktische Schicht 20, oder sie kann
dieselbe Trägerkonzentration
haben wie die erste epitaktische Schicht 20, und in diesem
Fall wird sie als Teil der ersten epitaktischen Schicht 20 ausgebildet.
In beiden Fällen
wird dann ein tiefes p+ implantiertes Gategitter
in der zweiten epitaktischen Schicht 22 mit Methoden wie
z. B. denen ausgebildet, die im US-Patent Nr. 5,087,576 beschrieben
sind, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme
eingeschlossen ist. Durch Erzeugen des p+ Gategitters 30 in
der zweiten epitaktischen Schicht 22 wird eine dritte epitaktische
n– Schicht 24 auf
der zweiten epitaktischen Schicht 22 aufwachsen gelassen.
Diese dritte epitaktische Schicht 24 kann etwa dieselbe
Trägerkonzentration
haben wie die erste epitaktische Schicht 20 oder die zweite
epitaktische Schicht 22, und sie kann mit demselben epitaktischen
Wachstumsprozess wie oben beschrieben erzeugt werden. Nach dem Aufwachsenlassen
der dritten epitaktischen Schicht 24 wird mittels des obigen
epitaktischen Wachstumsprozesses eine vierte epitaktische Schicht 26 auf
der dritten epitaktischen Schicht 24 aufwachsen gelassen.
Diese vierte epitaktische Schicht 26 ist eine hochdotierte
epitaktische n+ Schicht, die einen guten ohmschen
Top-Kathoden-Kontakt
erleichtert.
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Nach dem Aufwachsenlassen aller epitaktischen
Schichten werden Gatekontakte durch reaktives Ionenätzen durch
die dritte und die vierte epitaktische Schicht 24 und 26 und
auf das p+ Gategitter 30 ausgebildet. Für das Bauelement von 1A mit vergrabenem Gategitter
wird das Gategitter 30 durch Ätzen einer Mehrzahl von lotrecht
zur Richtung des Gategitters verlaufenden Gräben und anschließendes Bilden
von ohmschen Kontakten im Boden dieser Gräben kontaktiert. Diese Gräben können mit
den im US-Patent Nr. 4,981,551, dessen Offenbarung hiermit in seiner
Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, beschriebenen reaktiven
Ionenätztechniken
ausgebildet werden. Nach dem Ätzen
des Bauelementes zum Exponieren von Abschnitten des Gategitters
können
ohmsche Kontakte für
die Kathode und das Gategitter ausgebildet werden, wobei Gategitterkontakte
im Boden der Gräben
ausgebildet werden, die durch den Ätzprozess erzeugt wurden, und
der Kathodenkontakt 42 wird auf der vierten epitaktischen
Schicht 26 ausgebildet.
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Der Bereich um das Bauelement wird
zum Bilden einer Mesa geätzt.
Die Mesa verläuft
vorzugsweise an der Verarmungszone des Bauelementes vorbei, um den
Stromfluss im Bauelement zur Mesa zu begrenzen und die Kapazität des Bauelementes zu
reduzieren. Wenn die Verarmungszone des Bauelementes unter das Niveau
der Mesa verläuft,
breitet sie sich in Bereiche außerhalb
der Mesa aus, was zu einer höheren
Kapazität
führt.
Die Mesa wird vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen um das oben beschriebene
Bauelement ausgebildet, aber auch andere in der Fachwelt bekannte
Ausbildungsmethoden können
zum Bilden der Mesa eingesetzt werden. Nach dem Bilden der Mesa
kann eine Isolierschicht 78, beispielsweise aus Siliciumdioxid, über den
exponierten Flächen
des Bauelementes ausgebildet werden, einschließlich der Seitenwände der
Mesa, um das Bauelement zu passivieren. Während SiO2 als Isoliermaterial
bevorzugt wird, können
auch andere der Fachwelt bekannte Isoliermaterialien zum Einsatz
kommen.
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Das Bauelement von 1B kann
durch Ausführen
der obigen Schritte hergestellt werden, aber einschließlich des
Bildens einer epitaktischen Schicht 12 aus p+ Siliciumcarbid
auf dem Substrat 10 vor der Bildung der ersten epitaktischen
Schicht 20. Das Bauelement von 3 kann durch Erzeugen des Bauelementes
von 1A und, vor dem Erzeugen der Isolierschicht,
durch Bilden von Zonen aus p+ Siliciumcarbid 11 an
der Basis der Mesa ausgebildet werden. Dann kann ein ohmscher Kontakt 48 auf
diesen Zonen ausgebildet werden, um eine Senkenanode herzustellen.
Ferner kann das Bauelement von 1B so
modifiziert werden, dass es eine Senkenanode beinhaltet, indem nur
die Mesa bis zur p+ Schicht 12 geätzt und dann ein ohmscher Kontakt
an der Basis der Mesa gebildet wird. Die zu den oben mit Bezug auf 1A, 1B und 3 beschriebenen
komplementären
Bauelemente können
unter Anwendung des oben beschriebenen Vefahrens hergestellt werden,
wobei jedoch n+ Siliciumcarbid für p+ Siliciumcarbid, p– Siliciumcarbid
für n– Siliciumcarbid
und p+ Siliciumcarbid für
n+ Siliciumcarbid substituiert werden.
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Bei der Herstellung des Bauelementes
von 2A mit einem p+ Substrat 50 wird eine dicke n– Schicht 60 auf
dem p+ Substrat 50 mittels eines
epitaktischen Wachstumsprozesses wie dem aufwachsen gelassen, der
im US-Patent Nr. 4,912,064 beschrieben ist, dessen Offenbarung hiermit
in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Anodenkontakt 80 wird
am Boden des Substrats 50 durch Bilden eines ohmschen Kontakts
mit dem p+ Substrat ausgebildet. Eine zweite
epitaktische n– Schicht 62 wird
ebenfalls auf der ersten epitaktischen n– Schicht 60 ausgebildet.
Diese zweite epitaktische Schicht 62 kann eine niedrigere
Trägerkonzentration haben
als die erste epitaktische Schicht 60, oder sie kann dieselbe
Trägerkonzentration
haben wie die erste epitaktische Schicht 60, und in diesem
Fall kann sie als Teil der ersten epitaktischen Schicht 60 ausgebildet
werden. Eine dritte epitaktische n+ Schicht 64 wird
ebenfalls auf der zweiten epitaktischen Schicht 62 aufwachsen
gelassen. Diese dritte epitaktische Schicht 64 kann etwa
dieselbe Trägerkonzentration
haben wie die erste epitaktische Schicht 60 oder die zweite
epitaktische Schicht 62, und sie kann mit demselben epitaktischen
Wachstumsprozess wie dem oben beschriebenen erzeugt werden. Nach
dem Aufwachsenlassen der dritten epitaktischen Schicht 64 wird
eine vierte epitaktische Schicht 66 mit dem obigen epitaktischen
Wachstumsprozess auf der dritten epitaktischen Schicht 64 aufwachsen
gelassen. Diese vierte epitaktische Schicht 66 ist eine
hochdotierte epitaktische n+ Schicht, die einen
guten ohmschen Top-Kathoden-Kontakt erleichtert.
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Nach dem Aufwachsenlassen aller epitaktischen
Schichten werden Gräben
durch die dritte epitaktische Schicht 66 und die vierte
epitaktische Schicht 64 geätzt. Diese Gräben können mit
den oben mit Bezug auf das US-Patent Nr. 4,981,551 beschriebenen
reaktiven Ionenätztechniken
ausgebildet werden. Nach dem Ausbilden der Gräben werden p+ Gatezonen an
der Basis der Gräben
in der zweiten epitaktischen Schicht 62 mit den Ionenimplantationsmethoden
des US-Patentes Nr. 5,087,576 ausgebildet. Die Fachperson wird verstehen,
dass die Ionenimplantation bei Bedarf vor dem Aufwachsenlassen der
dritten epitaktischen Schicht 60 erfolgen kann. In einem
solchen Fall müssen
die Gräben
auf die implantierten Zonen so ausgerichtet werden, dass die Gräben mit
den Zonen übereinstimmen,
so dass der Boden des Grabens einer implantierten Zone entspricht.
Nach dem Ätzen
des Bauelementes und dem Erzeugen des Gategitters 70 können ohmsche
Kontakte für
die Kathode und den Gatekontakt ausgebildet werden, wobei der Gatekontakt
im Boden von ionenimplantierten Gräben und der Gatekontakt 82 auf
der vierten epitaktischen Schicht 66 ausgebildet werden.
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Das gesamte Bauelement wird zum Bilden einer
Mesa geätzt.
Die Mesa verläuft
vorzugsweise an der Verarmungszone des Bauelementes vorbei, um den
Stromfluss im Bauelement zur Mesa zu begrenzen und die Kapazität des Bauelementes
zu reduzieren. Wenn die Verarmungszone des Bauelementes unter das
Niveau der Mesa verläuft,
breitet sie sich in Bereiche außerhalb
der Mesa aus, was zu einer höheren
Kapazität
führt.
Die Mesa wird vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen des oben beschriebenen
Bauelementes ausgebildet, aber es können auch andere in der Fachwelt
bekannte Methoden zum Bilden der Mesa angewendet werden. Nach dem
Bilden der Mesa kann eine Isolierschicht 78, z. B. aus
Siliciumdioxid, über
den exponierten Flächen
des Bauelementes, inklusive der Seitenwände der Mesa, gebildet werden,
um das Bauelement zu passivieren. SiO2 wird
zwar als Isoliermaterial bevorzugt, aber es können auch andere in der Fachwelt bekannte
Isoliermaterialien verwendet werden.
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Das Bauelement von 2B kann durch Ausführen der obigen Schritte, aber
einschließlich des
Ausbildens einer epitaktischen Schicht 52 aus p+ Siliciumcarbid auf dem Substrat 50 vor
der Bildung der ersten epitaktischen Schicht 60, erzeugt
werden. Das Bauelement von 4 kann
durch Erzeugen des Bauelementes von 2A und
vor dem Erzeugen der isolierschichtbildenden Zonen aus p+ Siliciumcarbid 51 an der Basis
der Mesa gebildet werden. Dann kann ein ohmscher Kontakt 88 auf
diesen Zonen gebildet werden, um eine Senkenanode zu erzeugen. Ferner
kann das Bauelement von 2B so modifiziert
werden, dass es eine Senkenanode aufweist, indem nur die Mesa bis
zur p+ Schicht 52 geätzt und
dann ein ohmscher Kontakt an der Basis der Mesa ausgebildet wird.
Die komplementären
Bauelemente zu den oben mit Bezug auf 2A, 2B und 4 beschriebenen können unter Anwendung der oben beschriebenen
Methode erzeugt werden, wobei jedoch n+ Siliciumcarbid für p+ Siliciumcarbid, p– Siliciumcarbid
für n– Siliciumcarbid
und p+ Siliciumcarbid für n+ Siliciumcarbid substituiert
werden.
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Die Tunneldiodenbauelemente von 5 und 6 können
unter Anwendung der oben jeweils mit Bezug auf 1B und 2B beschriebenen Techniken hergestellt
werden, aber für
die Tunneldiodenbauelemente bestehen die Substrate 10 und 50 aus
n+ Siliciumcarbid. Der Rest des Herstellungsverfahrens
ist wie oben für
die jeweiligen Bauelemente beschrieben.
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Die Bildung von ohmschen Kontakten,
Mesas und Isolierschichten erfolgt wie hierin mit Bezug auf 2A, 2B, 4 und 6 beschrieben. Ferner können diese
Schichten, wie die Fachperson verstehen wird, in dem Ausmaß, dass
zwei beliebige benachbarte epitaktische Schichten in den Bauelementen
von 1A bis 6 denselben
Leitfähigkeitstyp
und dieselbe Trägerkonzentration
haben, als einzige epitaktische Schicht ausgebildet werden, es sei
denn, dass eine solche Ausbildung die Implantation des Gategitters
verhindert.
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Beim Betrieb sind die Bauelemente
der vorliegenden Erfindung normalerweise eingeschaltet und lassen
Strom von der Anode zur Kathode des Bauelementes fließen. Wenn
eine Vorspannung an das Gategitter angelegt wird, erzeugt sie einen
in Rückwärtsrichtung
vorgespannten pn-Übergang,
der den Stromleitweg zwischen den Elementen des Gategitters abklemmt.
Beim Abschalten zieht ein Gatestrom das Elektronenlochplasma in
den leitenden Kanal zwischen den Gategitterelementen, so dass das
Bauelement befähigt
wird, Anode/Kathode-Spannung auszuhalten. Ferner sollen die Bauelemente
der vorliegenden Erfindung sehr hohe Durchlassstromdichten durch
Minoritätsträgerinjektion
in die niedrigdotierte Driftschicht bieten. Diese Bauelemente sollen
die Schaltung von Stromdichten von mehr als 500 A/cm2 während des
Durchlasszustands des Bauelementes ermöglichen. Die Bauelemente sollen
auch einen niedrigen Durchlasswiderstand haben.
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Mit Bezug auf das n– Driftzonenbauelement zum
Betreiben des Bauelementes im Vorwärtssperrmodus wird eine ausreichend
hohe negative Spannung an das Gate angelegt, um eine Potentialschwelle
in der n– Zone
zwischen den Gategitterelementen zu bilden, die Stromfluss verhindert.
Höhere
negative Spannungen am Gate erlauben das Sperren höherer Spannungen
an der Anode, bis die maximale Sperrspannungskapazität des Bauelementes
erreicht ist. Diese Kapazität
wird entweder durch die Gatedurchbruchspannung oder Eigenschaften
der ersten epitaktischen Schicht (20, 60) bestimmt.
Wenn die Gatespannung von positiv auf negativ in Bezug auf die Kathode
umgeschaltet wird, müssen
die Träger
in der Kanalzone über
das Gate extrahiert werden, bevor das Bauelement beginnen kann,
Spannung auszuhalten. Während
dieser Ladungsextraktion erfolgt ein konstanter Gatestromfluss für eine als
Speicherzeit bezeichnete Dauer. Nach Wegnahme der gespeicherten
Ladung in dem Kanal entsteht eine Potentialschwelle, so dass das
Bauelement Spannung aushalten kann. Danach zerfällt gespeicherte Ladung in der
Driftzone durch Trägerrekombination.
Dies führt zu
einem Rückgang
des Anodenstroms in einem als Abfallzeit bezeichneten Zeitintervall.
Speicherzeit und Abfallzeit beeinflussen beide die Schaltcharakteristiken
des feldgesteuerten Bauelementes und begrenzen die Geschwindigkeit,
mit der solche Bauelemente schalten können.
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Wie zuvor angegeben, wird die Bildung
des p+ Gategitters oder den n+ Gategitters über Ionenimplantation in die
niedrigdotierte Sperrschicht erzielt. Für die Ausgestaltungen mit vergrabenem
Gate von 1A, 1B, 3 und 5 muss
eine weitere niedrigdotierte epitaktische Schicht auf der implantierten
Zone aufwachsen gelassen werden, die dick genug ist, um die Sperrvorspannungsverarmungszone
zu unterstützen,
die dann entsteht, wenn der Gateübergang vorgespannt
wird. Die Dicke der nachfolgenden niedrigdotierten Schicht wird
durch die beabsichtigte maximale Gatespannung bestimmt. Sie muss
dick genug sein, um eine Gate-Top-Elektrodenspannung (Anode oder
Kathode, je nach Polarität
des Bauelementes) zu unterstützen,
die höher
ist als die mit s bemessene Höchstspannung
des Bauelementes, dividiert durch den nachfolgend beschriebenen
Spannungssperrverstärkungsfaktor.
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Die kristalline Qualität der ersten
epitaktischen Schicht nach der Ionenimplantation muss hoch genug
sein, um die Sperrvorspannung. auszuhalten, die zum Abklemmen des
Bauelementes an das Gate angelegt wird. Für ein feldgesteuertes Bauelement
kann diese Vorspannung bis 50 V erreichen, liegt aber gewöhnlich im
Bereich von 10 V bis 20 V. Die Gatespannung, die dem Abklemmen der
Zonen zwischen dem Gategitter entspricht, kann näherungsweise anhand der folgenden
Gleichung bestimmt werden:
wobei q die Elektronenladung,
N
D das Dotierungsniveau der zweiten epitaktischen
Zone, S der Spalt zwischen den Elementen des Gategitters, ε
s die
Dielektrizitätskonstante
von SiC und V
bi das eingebaute Potential
des Gateübergangs
sind. V
bi wird durch die folgende Gleichung
ausgdrückt
wobei k eine Boltzmann s
Konstante, T die Temperatur in Kelvin, N
D die
n-Zonenkonzentration, N
A die p-Zonenkonzentration
und n
i die Eigenkonzentration von SiC sind.
Somit kann V durch Wählen
des Abstands der Gategitterelemente und der Dotierungskonzentration
der Driftzone geregelt werden.
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Der Vorwärts-Sperrvorspannungsfaktor
des Bauelementes kann näherungsweise
anhand der folgenden Gleichung ermittelt werden:
wobei L die Stärke der
implantierten Zonen des Gategitters, Wd die Verarmungsbreite des
Gateübergangs
in der Richtung zur Anode und S der Spalt zwischen den implantierten
Zonen des Gategitters sind.
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Die Vorwärtsdurchlass-I-V-Beziehung
mit minimaler Vorspannung kann näherungsweise
mit der folgenden Gleichung errechnet werden:
wobei I
A der
Anodenstrom, A der Anodenbereich, D
a der
ambipolare Diffusionskoeffizient, n; die Eigenkonzentration von
SiC, V
AK die Anoden-Kathoden-Spannung und
x
n die Driftzonendicke sind.
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Für
eine Vorwärtsvorspannung
mit einer höheren
Rückwärtsgatevorspannung
wird Abklemmen eingeführt
und eine Potentialschwelle für
Elektronen gebildet, die deren Transport von der Kathode zur Anode
behindert. Diese Schwelle begrenzt die Elektronenzufuhr und wird
zum regelnden Faktor für
den Gesamtstrom. Die Schwellenhöhe ϕ
B wird nicht nur durch die Gatespannung gesteuert,
sondern kann auch durch einen großen Wert von V
AK gesenkt
werden. Die ϕ
B-Abhängigkeit
von V
AK wird als statische Induktion bezeichnet
und ist von den Abmessungen der Gatestruktur des Bauelements abhängig. In
einem solchen Fall kann der Anodenstrom näherungsweise durch die folgende
Gleichung errechnet werden:
wobei I der Sättigungsstrom
und n und Konstanten für
eine bestimmte Bauelementestruktur sind und die Regelung von V
G und V
AK an der
Schwellenhöhe
anzeigen.
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Beim Auswählen zwischen den oben beschriebenen
Bauelementen ermöglichen
diejenigen der oben beschriebenen Bauelemente, die eine Struktur
mit vergrabenem Gate haben, eine effizientere Verwendung der Kathoden/Anoden-Fläche mit konventionellen
Herstellungstechniken sowie eine effizientere Gatesteuerung des
Stroms, was zu einem niedrigeren Durchlasswiderstand und einem höheren Vorwärts-Sperrspannungsverstärkungsfaktor
führt. Mit
Bezug auf die oben beschriebenen Bauelemente, bei denen das Gategitter
am Boden von Gräben
ausgebildet ist, haben die Bauelemente einen niedrigen Gategitterwiderstand,
der einen geringeren Gatevorspannungswegnahmeeftekt beim Abschalten
bewirkt.
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Das Layout der Gate-Kathode- oder Gate-Anode-Metallisierung
spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Durchlassspannungsabfalls,
der Schaltgeschwindigkeit und des Sperrverstärkungsfaktors des feldgesteuerten
Bauelementes. Das Layout dieser Metallisierung sollte gewährleisten,
dass der Fluss von Strom über
den gesamten Chip des Bauelementes gleichförmig ist. Dies führt zu einem
niedrigeren Durchlasswiderstand, zu höheren Schaltgeschwindigkeiten
und einem hohen Sperrverstärkungsfaktor.
Es können
zwar zahlreiche Layout-Schemata mit der vorliegenden Erfindung benutzt
werden, aber die Evolventen-Gatestruktur
wird bevorzugt. 9 und 10 illustrieren
jedoch einfache rechteckige Layout-Schemata, die ebenfalls zum Einsatz
kommen können.
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Auf der Basis der obigen Erörterung
haben die Bauelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung typischerweise eine niedrigdotierte Zone (Schicht 20 oder
Schicht 60) mit einer Gesamtdicke von etwa 10 μ bis etwa
300 μ. Die
Dicke der Schichten ist von den gewünschten Durchbruchspannungen
abhängig.
Der Spalt (S) zwischen den implantierten Zonen oder den Gräben, die
das Gategitter der Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung
bilden, sollte so klein wie möglich
sein; typische Distanzen liegen zwischen etwa 0,5 μ und etwa
5 μ. Die
Breite der Elemente des vergrabenen Gategitters oder der implantierten
Zonen des in Gräben
ausgebildeten Gategitters kann auch zwischen etwa 0,5 μ und etwa
5 μ liegen.
Diese Zonen können
in verschiedenen Tiefen in den epitaktischen Schichten mit niedrigeren
Trägerkonzentrationen
ausgebildet werden. Geeignete Tiefen für das Gategitter liegen zwischen
etwa 5 Å und
der Dicke der epitaktischen Schicht. Die Dicke oder Tiefe (L) der
implantierten Zonen, die das Gategitter umfassen, sollte so groß wie möglich sein,
aber 500 Å bis etwa
5 μ können geeignet
sein. Geeignete Dicken für die
epitaktische Schicht mit hoher Trägerkonzentration, auf der der
erste ohmsche Kontakt ausgebildet wird, liegen zwischen etwa 500 Å und etwa
5 μ.
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Mit Bezug auf die Dotierung der Zonen
und epitaktischen Schichten mit p+ oder
alternativ n+ Leitfähigkeit, diese Zonen sollten
so stark wie möglich dotiert
werden, ohne zu starke Herstellungsdefekte zu verursachen. Trägerkonzentrationen
von mehr als etwa 1 × 1018 sind für
diese Zonen und epitaktischen Schichten geeignet, aber Trägerkonzentrationen
von mehr als 1 × 1018 werden bevorzugt. Geeignete Dotierungsmittel
zum Erzeugen von p-leitenden Zonen sind u. a. Aluminium, Bor und
Gallium. Geeignete Dotierungsmittel zum Erzeugen der nleitenden
Zonen sind u. a. Stickstoff und Phosphor. Aluminium ist das bevorzugte
Dotierungsmittel für
die p+ Zonen, und es wird bevorzugt, dass
das Aluminium mit Hochtemperatur-Ionenimplantation wie oben beschrieben
und bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1500°C in die p+ Zonen implantiert
wird. Trägerkonzentrationen von
bis zu etwa 3 × 1017 cm–3 sind für die epitaktischen
n– oder
p– Schichten
geeignet, aber Trägerkonzentrationen
von etwa 3 × 1016 oder weniger werden bevorzugt. Mit Bezug
auf die mehreren epitaktischen n– oder
p– Schichten
sind Trägerkonzentrationen
von etwa 1 × 1013 bis etwa 5 × 1016 für die erste
epitaktische Schicht geeignet, die unterhalb des Gategitters liegt.
Trägerkonzentrationen
von etwa 1 × 1013 bis 1 × 1016 sind
für die
zweite epitaktische Schicht geeignet, in der das Gategitter ausgebildet
wird. Trägerkonzentrationen
von etwa 5 × 1017 bis etwa 5 × 1019 sind
für die
dritte epitaktische Schicht geeignet, die über dem Gategitter liegt. Wie
oben erörtert,
können die
relativen Trägerkonzentrationen
zwischen den drei epitaktischen Schichten variiert werden, aber
die bevorzugten Trägerkonzentrationen
sind 1 × 1015 für die
erste epitaktische Schicht, 1 × 1014 für
die zweite epitaktische Schicht und 5 × 1015 für die dritte
epitaktische Schicht. Somit wird das Gategitter vorzugsweise in
der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet.
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Auf der Basis der obigen Charakteristiken der
Bauelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung haben solche Bauelemente Schaltzeiten zwischen 50 und
500 ns im Vergleich zu den Schaltzeiten von 2 bis 100 μs anderer
feldgesteuerter Bauelemente, je nach ihren Nennspannungen. Die Bauelemente
der vorliegenden Erfindung sollten Vorwärtsdurchbruchspannungen von
bis zu 10.000 V und Rückwärtsdurchbruchspannungen
von gleicher Größe aufweisen.
Mit den Bauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung
sollten Sperrverstärkungsfaktoren
von 50 oder mehr erreichbar sein. Sperrspannungen von 2000 V sollten
daher mit Gatespannungen von nur 40 V erreichbar sein. Diese Bauelemente
sollten auch zu Stromdichten von 500 A/cm2 oder
mehr in der Lage sein. Schließlich
sollten diese Bauelemente in der Lage sein, bei Temperaturen von
mehr als 400°C zu
arbeiten.