專利名稱：具有預(yù)定的α碳化硅區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及此半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)在預(yù)定的α碳化硅多型區(qū)與電絕緣區(qū)之間的界面，其中在碳化硅區(qū)的電導(dǎo)率在界面上可通過感應(yīng)電荷加以改變。例如由“IEEE電子器件文摘”(“IEEE Electron Device Letters”Vol.18，No.3，1997年3月，93至95頁)公知了此類半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明還涉及上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
單晶形式的碳化硅是一種具有優(yōu)異物理特性的半導(dǎo)體材料，尤其由于其高的擊穿場強(qiáng)及良好的導(dǎo)熱性，這種半導(dǎo)體材料特別適用于大功率電子器件和在千伏范圍內(nèi)使用。因?yàn)槭袌錾咸峁┑?H和4H碳化硅多型單晶晶片越來越多，因而以碳化硅為基的大功率半導(dǎo)體器件(例如碳化硅肖特基二極管)也日益增多。然而迄今已公知的單極性碳化硅功率MOSFET中還存在著重要的性能問題，如導(dǎo)通電阻問題。
下面經(jīng)常提到碳化硅多型的能帶寬度。這里應(yīng)指出，比較能帶寬度值應(yīng)在相同的制備、測試以及環(huán)境條件前提下來確定。在下文中引用的與之相關(guān)的值均適用于室溫。在《碳化硅性能》(“Properties of Silicon Carbide”，G.L.Harris編輯，INSPEC出版社，英國倫敦，1995，74-80頁)中提供了不同的碳化硅多型在溫度為4K時(shí)的能帶寬度。
在“IEEE電子器件文摘”(“IEEE Electron Device Letters”，Vol.18，No.3，1997年3月，93至95頁)中例如介紹了一種單極性的MOSFET，它以6H碳化硅晶片為基礎(chǔ)通過雙重離子植入制成(所謂的D-MOSFET)。在此類D-MOSFET中，在碳化硅半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)電流是靠橫向電流控制的，此半導(dǎo)體區(qū)即所謂的通道區(qū)，是在碳化硅區(qū)內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體區(qū)與電絕緣區(qū)(例如SiO2)之間的界面旁邊。此后電流垂直通過此元件流入第二碳化硅半導(dǎo)體區(qū)，即所謂的漂移區(qū)。
采用所介紹的D-MOSFET與現(xiàn)有技術(shù)相比已經(jīng)能達(dá)到改善導(dǎo)通電阻的目的。進(jìn)一步專門地改善導(dǎo)通電阻(導(dǎo)通電阻主要取決于通道區(qū)和漂移區(qū)的電導(dǎo)率)的方法見“IEEE電子器件文摘”(“IEEE Electron Device Letters”，Vol.18，No.3，1997年3月，93至95頁)，文中提出了可將6H碳化硅多型轉(zhuǎn)換為4H碳化硅多型的前景。這種設(shè)想是建立在只考慮漂移區(qū)內(nèi)的(體積)電導(dǎo)率這一認(rèn)識基礎(chǔ)上的。當(dāng)電流沿晶體學(xué)的C軸垂直流動(dòng)時(shí)，決定體積電導(dǎo)率的自由載流子遷移率約為800cm2V-1S-1的4H碳化硅多型明顯地優(yōu)于遷移率只有約100cm2V-1S-1的6H碳化硅。但是這里沒有考慮到多型選擇對第二個(gè)對導(dǎo)通電阻有決定意義的參數(shù)的影響，亦即對在通道區(qū)內(nèi)的電導(dǎo)率的影響，該電導(dǎo)率除幾何參數(shù)外主要取決于碳化硅半導(dǎo)體區(qū)與電絕緣區(qū)之間界面的特性。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)具有本文前言所述特征的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比有更好的性能，尤其改善導(dǎo)通電阻。
本發(fā)明的目的是通過權(quán)利要求1的特征部分達(dá)到的。對于碳化硅區(qū)采用與4H和6H碳化硅多型不同的α碳化硅多型，它的能帶寬度最多等于6H碳化硅多型的能帶寬度。
本發(fā)明以下列認(rèn)識為基礎(chǔ)，即，在半導(dǎo)體區(qū)與電絕緣區(qū)之間界面上的有效電空穴(陷阱)的分布決定了在界面旁半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，因而基本上決定了整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻。對碳化硅的研究證明，可與多型無關(guān)地構(gòu)成高空穴密度的能帶，它與價(jià)帶有固定的能量間隙。此能帶有一個(gè)在能量上比較清晰的極限下邊緣，它位于價(jià)帶邊緣上方約2.9eV處。因?yàn)樵谔蓟柚袃r(jià)帶的能位與多型無關(guān)，所以按本發(fā)明選擇的多型保證空穴帶在能量上位于導(dǎo)帶內(nèi)部，因而對電導(dǎo)率的影響明顯地小于通常采用的具有較大能帶寬度的多型材料時(shí)的情況。
按本發(fā)明選擇α碳化硅多型時(shí)，有利地使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有在前序部分所述的特征，從而有比現(xiàn)有技術(shù)更優(yōu)的性能。尤其是導(dǎo)通電阻可有利地例如降低20倍。
從屬權(quán)利要求給出了本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有利設(shè)計(jì)。在下面所論及的實(shí)施形式可看作是本發(fā)明的特別有利設(shè)計(jì)。
在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，α碳化硅半導(dǎo)體區(qū)有一個(gè)至少比6H碳化硅多型小5meV的能帶寬度。特別有利的是菱形α碳化硅多型(R型)，尤其是15R型或21R型。15R型碳化硅在室溫下的能帶寬度為2.79eV，因此它低于6H碳化硅的本發(fā)明的對照值(2.91eV)。由于4H或6H碳化硅多型的能帶寬度為3.15eV(4H碳化硅)和2.91eV(6H碳化硅)，所以不是合適的多型材料，被本發(fā)明排除在外，盡管它們迄今在碳化硅大功率電子器件領(lǐng)域內(nèi)由于市場有供應(yīng)而實(shí)際上是唯一被使用的。因此在本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)界面區(qū)(通道區(qū))內(nèi)，載流子垂直于晶體學(xué)C軸的有利的遷移率在15R碳化硅多型中為≥40cm2V-1S-1，反之，在4H碳化硅中相應(yīng)的值(≤1cm2V-1S-1)和6H碳化硅相應(yīng)的值(＞20cm2V-1S-1)明顯地較低。迄今一直認(rèn)為，在鄰接著漂移區(qū)內(nèi)平行于晶體學(xué)的C軸通過基片體積的載流子遷移率對于導(dǎo)通電阻是決定性的，與在15R碳化硅中為330cm2V-1S-1相比，在4H碳化硅中更有利為800cm2V-1S-1。但是盡管如此，由于已說明的界面對通道區(qū)內(nèi)載流子遷移率的影響，4H碳化硅的導(dǎo)通電阻比15R碳化硅高20倍。
另一種有利的實(shí)施形式充分利用了這一特征，為了在界面處獲得有利的電導(dǎo)率，只須在直接與電絕緣區(qū)相鄰的一個(gè)狹窄的半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)采用所需的α碳化硅多型構(gòu)成。因此，與狹窄區(qū)連接的半導(dǎo)體區(qū)可用相同的或至少部分采用另一種碳化硅多型構(gòu)成，或采用不同于碳化硅的另一種半導(dǎo)體材料或采用至少一種不同于碳化硅的另一種半導(dǎo)體材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)組成。
在另一種有利的實(shí)施形式中，本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為MOSFET結(jié)構(gòu)，尤其設(shè)計(jì)為D-MOSFET結(jié)構(gòu)或U-MOSFET結(jié)構(gòu)，或設(shè)計(jì)為IGBT結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于大功率電子器件中。
此外特別有利的是，本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于構(gòu)成半導(dǎo)體元件或復(fù)合半導(dǎo)體電路。
下面借助


本發(fā)明的實(shí)施例，唯一的附圖示意示出了一種D-MOSFET。
D-MOSFET元件，如圖所示并用HS表示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，是重要的單極性大功率元件。在這種元件中，一方面電流是靠橫向電流IL控制的，另一方面在由碳化硅半導(dǎo)體區(qū)3與碳化硅基片2組成的漂移區(qū)內(nèi)電流是由通過該元件的垂直電流IV導(dǎo)引的。
在這里，垂直的電流指的是沿垂直于碳化硅半導(dǎo)體區(qū)3的界面20的方向的電流。與此相對應(yīng)，橫向指的是平行于在界面20內(nèi)的方向的方向。
決定D-MOSFET元件導(dǎo)通電阻大小的一個(gè)參數(shù)是在橫向電流IL區(qū)域內(nèi)，即在所謂通道內(nèi)的電導(dǎo)率。這些通道在接通狀態(tài)由于感應(yīng)電荷構(gòu)成一些與界面20相鄰的、有較大基區(qū)11的區(qū)域。決定性的界面20在此圖中用粗線標(biāo)明。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地位于D-MOSFET元件的這些區(qū)域內(nèi)。基區(qū)11的至少與界面鄰近的區(qū)域由比6H碳化硅的能帶寬度小的α碳化硅多型構(gòu)成，此區(qū)域與由第一氧化層13a構(gòu)成的電絕緣區(qū)鄰接，例如采用15R碳化硅多型是適合的。由此可以保證獲得所期望的有利的高通道電導(dǎo)率，其結(jié)果是使結(jié)構(gòu)具有較低的導(dǎo)通電阻。在基區(qū)11上面所設(shè)的電絕緣區(qū)，如附圖實(shí)施例所示，可僅由單層構(gòu)成。不過按照其他有利的實(shí)施形式，這一區(qū)也可以構(gòu)造成優(yōu)選由不同材料制成的多層。在圖中表示的所謂柵極氧化物的第一氧化層13a有利地用SiO2材料，尤其熱SiO2材料構(gòu)成。但這一層在其他實(shí)施形式中也可以用非氧化的電絕緣材料，尤其用Si3N4構(gòu)成。
下面詳細(xì)說明圖1所示D-MOSFET元件的工作原理。圖中源區(qū)用10表示，其余為基區(qū)11、基接觸區(qū)12、第一氧化層13a、第二氧化層13b、柵電極14、源電極15和漏極電極16。第二氧化層13b(絕緣氧化物)用于在柵電極14與源電極15之間的絕緣，并由采用LPCVD法沉積的SiO2構(gòu)成。每個(gè)為15R碳化硅半導(dǎo)體區(qū)的基區(qū)11植入在碳化硅基片2上取向生長的碳化硅層3中，并相對于碳化硅層3相反摻雜。在基區(qū)11和碳化硅層3之間分別構(gòu)成的p-n結(jié)17在D-MOSFET元件的截止?fàn)顟B(tài)下主要承受截止電壓。在每個(gè)基區(qū)11內(nèi)至少植入一個(gè)源區(qū)10，它相對于基區(qū)11相反摻雜，因而與相關(guān)的基區(qū)11分別構(gòu)成p-n結(jié)18。每個(gè)源區(qū)10與相關(guān)的基區(qū)11通過源電極電短路?；鶇^(qū)11優(yōu)選用硼摻雜，因而是p型的。除此之外，它們也可以為了更高的閉鎖強(qiáng)度在源區(qū)10的下面和基接觸區(qū)12內(nèi)在源電極15處通過附加植入鋁而更加強(qiáng)烈地?fù)诫s，因而是p+型的。源區(qū)10和碳化硅層3優(yōu)選用氮摻雜，因而是n型的。漏極電極16設(shè)在碳化硅基片2的背對碳化硅層3的那一側(cè)。尤其是可以在碳化硅基片2內(nèi)再設(shè)一個(gè)植入的高度摻雜的漏極區(qū)。因此，此D-MOSFET有一種垂直結(jié)構(gòu)。
若在所表示的實(shí)施形式中，碳化硅基片2與生長的碳化硅層3是相同的導(dǎo)通型，則產(chǎn)生一種MOSFET結(jié)構(gòu)。反之，若此碳化硅基片2與碳化硅層3的導(dǎo)通型相反，則在層3與基片2之間形成了一個(gè)附加的源電極15與漏極電極16之間的p-n結(jié)。于是構(gòu)成一種IGBT結(jié)構(gòu)。
顯然，所有提及的半導(dǎo)體區(qū)的導(dǎo)通型可以分別互換。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)在預(yù)定的α碳化硅多型區(qū)與電絕緣區(qū)之間的界面，其中，在碳化硅區(qū)內(nèi)界面處的電導(dǎo)率可通過感應(yīng)電荷而加以改變，其特征在于碳化硅區(qū)(3、10、11)采用與4H和6H碳化硅多型不同的α碳化硅多型，它的能帶寬度最多等于6H碳化硅多型的能帶寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于對于α碳化硅區(qū)選擇一種多型，它的能帶寬度比6H碳化硅多型的小，優(yōu)選至少小5meV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于α碳化硅多型是一種R型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于此R型是15R型或21R型。
5.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于電絕緣區(qū)優(yōu)選由不同材料制成的多層構(gòu)成。
6.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于電絕緣區(qū)(13a)采用氧化材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于采用SiO2作為氧化材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于采用一種熱SiO2作為SiO2材料。
9.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于一種具有相同α碳化硅多型的結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于一種具有至少一個(gè)α碳化硅多型的結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于設(shè)計(jì)為MOSFET結(jié)構(gòu)或IGBT結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于MOSFET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為D-或U-MOSFET結(jié)構(gòu)。
13.一種根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，用于構(gòu)造半導(dǎo)體器件或半導(dǎo)體電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(HS),它包括至少一個(gè)α碳化硅區(qū)(3、10、11)和一個(gè)例如為氧化層的電絕緣區(qū)(13a)以及一個(gè)在它們之間的界面(20)。通過為至少一個(gè)鄰近界面的區(qū)選擇一種能帶寬度比6H碳化硅多型的能帶寬度小的α碳化硅多型,提高了在此區(qū)內(nèi)載流子的遷移率。
文檔編號H01L29/78GK1267397SQ98808324
公開日2000年9月20日 申請日期1998年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月20日
發(fā)明者萊因霍爾德·肖納, 迪特里希·斯蒂法妮, 德薩德·彼得斯, 彼得·弗里德里克斯 申請人:西門子公司