專利名稱：以碳化硅材料為基材并具有多個不同電氣特性的分區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以碳化硅材料為基材的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它具有多個不同電氣特性的半導(dǎo)體區(qū)，其中至少有第一半導(dǎo)體區(qū)；第二半導(dǎo)體區(qū)，其表面包含第一半導(dǎo)體區(qū)的表面，即第一分型面；以及另一半導(dǎo)體區(qū)，其表面包括第二半導(dǎo)體區(qū)的表面，即第二分型面。
功率半導(dǎo)體元件，例如功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)對均勻性提出了特別高的要求，因為這種元件中許多被稱作為晶胞的分區(qū)經(jīng)常平行連接，而且每個晶胞占總電流的份額應(yīng)相等。
一種由半導(dǎo)體技術(shù)制成并公知的結(jié)構(gòu)為一種帶有所謂側(cè)信道區(qū)的垂直MOSFET晶胞，其中所謂的信道長度定義為基區(qū)與相反導(dǎo)通形的MOSFET的源區(qū)的橫向重疊。為了使信道電阻更小，應(yīng)力求使MOSFET晶胞的信道長度最小化。此外，為大批量制造性能至少近似相同的元件，還要求信道長度沿半導(dǎo)體材料的整個晶片至少相當(dāng)均勻，并可從晶片復(fù)制到晶片。
在J.N.Pan等發(fā)表于“電子信函”的論文“具有改進(jìn)電流驅(qū)動的自匹配6H-SiC MOSFET”(“Self aligned 6H-SiC MOSFETs with improved currentdrive”von J.N.Pan，J.A.Cooper，M.R.Melloch in“Electronics letters”6.Juli1995，Vol.31，Nr.14，S.1200 und 1201)中描述了一種側(cè)6H-SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)及其制造方法，該方法以一種在硅技術(shù)中公知的方法為基礎(chǔ)。根據(jù)此方法，在一個外延生長的P摻雜6H-SiC層之內(nèi)的一個掩膜面內(nèi)的相鄰窗都是該側(cè)MOSFET的成對的源區(qū)和耗散區(qū)，它們分別借助移植氮離子進(jìn)行n摻雜。因為與硅(750℃-800℃)相比，SiC要求明顯更高的溫度(1200℃-1500℃)來治愈在移植時產(chǎn)生的點陣損傷和激活移植的摻雜物，因此應(yīng)用MOS系統(tǒng)作為掩膜存在問題。為了不損害MOS系統(tǒng)，正火溫度只能高至1200℃。從而就不可能有某種受主離子(Akzeptorionen)。信道長度被調(diào)整得比掩膜內(nèi)窗間距大，門-氧化物和門-電極自動調(diào)整地安置在轉(zhuǎn)換信道上。這種方法不可應(yīng)用到在其內(nèi)要植入信道區(qū)的元件，因為p摻雜對于源區(qū)和耗散區(qū)或信道區(qū)都是不必要的。然而最高為1200℃的自愈溫度對自愈和激活受主離子是不夠的。
在由J.W.Palmour等的論文“4H-SiC功率開關(guān)裝置”(“4H-SiliconCarbide Power Switching Devices”by J.W.Palmour et.al.in“Technical digestof international conference on SiC and related materials”，Kyoto，1995，P319-320)中描述了一種4H晶體類型的SiC內(nèi)的非平面形UMOS結(jié)構(gòu)。在其中，通過將施主離子植入一個外延生長的p摻雜SiC層來產(chǎn)生源區(qū)。通過活性離子腐蝕(RIE)(總是調(diào)整到源區(qū)的中部)在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面內(nèi)開挖一條U形溝。各U形溝都向下抵至在p摻雜SiC層下的n摻雜SiC層，并相鄰地容納門-氧化物和門-電極。信道長度被定義為在源區(qū)和n摻雜SiC層之間的垂直方向的p摻雜SiC層的厚度。在這種方法中也只有單一的植入步驟。信道長度由氮離子的滲透深度和p摻雜SiC層的厚度所控制。
被稱為DI2-MOSFET的公知SiC半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(參閱例如“IEEE ElectronDevice Letters”，Vol.18，No.3，March 1997，P 93-95)具有多個相互包圍的表面區(qū)。在其中，在相互包圍的表面區(qū)的邊部之間的間距被定義為側(cè)信道長度，它在各分區(qū)的整個周長上相對并不均勻。也就是說，相鄰邊部之間的間距在一個顯著大于50nm的數(shù)量級內(nèi)波動。然而已經(jīng)表明，例如在平行連接一種相應(yīng)結(jié)構(gòu)的多個分區(qū)時，會承受局部的、不同的、強烈的、不均勻的電負(fù)荷和熱負(fù)荷。從而在應(yīng)用SiC材料時，因為要求避免各分區(qū)過載，相應(yīng)地減弱了獲得高承載能力這一優(yōu)點。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種SiC半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它尤其在平行連接多個分區(qū)時確保高的承載能力。
本發(fā)明的目的是通過采用如下措施實現(xiàn)的，即預(yù)先給定第一分型面的邊緣輪廓，第二分型面的邊緣輪廓由第一分型面的邊緣輪廓所決定，其方法為虛擬地以第一分型面的邊部上的各點為圓心，以恒定半徑作圓，所有的圓有一個共同的上包絡(luò)線U，它確定第二分型面的虛擬精確邊部的輪廓，第二分型面的實際邊部與該精確邊部最大間隔為±10nm。
在此出發(fā)點是如下事實相互包圍的分區(qū)的邊部的橫向間距決定了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電氣特性。只有公差很小的橫向間距才可使得在邊部之間的所謂的側(cè)信道耐受高的電負(fù)荷和/或熱負(fù)荷，且各側(cè)負(fù)荷均勻，其中信道長度的相應(yīng)公差最大只允許為±10mm。這樣來實現(xiàn)此類分區(qū)是有利的，即固定最內(nèi)分區(qū)的邊部輪廓，然后采用公知的方法來產(chǎn)生至少包圍此最內(nèi)分區(qū)的較大分區(qū)的邊部輪廓。依次類推來確定其他外邊部的輪廓，即將梯次被包圍的邊部視作符合發(fā)明的“最內(nèi)”輪廓。
本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有利設(shè)計由從屬權(quán)利要求給出。下面給出幾個特別有利的實施形式。
本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可優(yōu)選具有另一半導(dǎo)體區(qū)，它至少包含兩個第二半導(dǎo)體區(qū)，它們分別包含一個第一半導(dǎo)體區(qū)。然后由第二半導(dǎo)體區(qū)和由其包圍的第一半導(dǎo)體區(qū)組成具有例如相同結(jié)構(gòu)的晶胞，它們可有利地平行連接。
該另一半導(dǎo)體區(qū)尤其可為第三半導(dǎo)體區(qū)，它既是第四半導(dǎo)體區(qū)的分區(qū)，其邊部則間隔一定距離包圍第二半導(dǎo)體區(qū)的邊部。在此可優(yōu)選保持如下間隔觀點間隔應(yīng)優(yōu)選設(shè)置在第一分區(qū)邊部和第二分區(qū)邊部之間。
本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尤其可構(gòu)造成MISFET結(jié)構(gòu)，優(yōu)選構(gòu)造成MOSFET結(jié)構(gòu)或JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)或IGBT結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的特征是尤其在切斷過程時的高的電流承載能力。
下面借助附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。各附圖均是不按比例描繪的示意圖，附圖中

圖1為本發(fā)明帶有單個晶胞的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面的局部俯視圖；圖2為該晶胞局部的俯視圖；圖3為一種帶有兩個晶胞的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部俯視圖；圖4示出一種設(shè)計為垂直MOSFET的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面；圖5示出一種如圖4所示MOSFET結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計。
在各附圖中，相同的部分有相同的附圖標(biāo)記。
本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的出發(fā)點是SiC技術(shù)領(lǐng)域中已公開的實施形式(參閱例如US 5,378,642)，它們可根據(jù)公開的方法來制造。特別有利的是一種在本申請的申請日所提交的德國專利申請...中所述的方法，該申請的題目是“以高精度、優(yōu)越均勻性和可重復(fù)性構(gòu)造半導(dǎo)體的方法(Verfahren zurStrukturierung von Halbleitern mit hoher Praezision，guter Homogenitaet undReproduzierbarkeit)”。
圖1以俯視圖示出一種按照本發(fā)明而制造的SiC半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部。在這種一般用2表示的結(jié)構(gòu)中，第一半導(dǎo)體區(qū)G1因其形狀至少對第二半導(dǎo)體區(qū)G2是決定性的。在此，這些半導(dǎo)體區(qū)因其電氣特性不同而不同。第一半導(dǎo)體區(qū)G1因其位置而被視作該結(jié)構(gòu)的最內(nèi)分區(qū)，它處于第二半導(dǎo)體區(qū)之內(nèi)，并與其在一個共同平面E上構(gòu)成一個共同表面3。其邊部R1有一種預(yù)定的結(jié)構(gòu)，并包圍該表面的第一分型面F1。該分型面的形狀本身是任意的，可以優(yōu)選至少為近似六邊形、三角形、矩形或圓形。第二半導(dǎo)體區(qū)的邊部R2的邊界為第二分型面F2。
圖2利用局部視圖示出第二分型面F2的邊部R2的輪廓是如何由第一分型面F1的邊部R1的輪廓所確定。在此，出發(fā)點是如下數(shù)學(xué)概念以第一分型面F1的邊部R1上的各點為圓心，以恒定半徑r作圓Ki，為清晰起見，在圖2中僅示出了少量點，并以Pj表示。所有的圓有一個共同的外包絡(luò)線U，它用虛線表示。在此，該外包絡(luò)線U的數(shù)學(xué)構(gòu)造有利地至少在很大程度上與一個由內(nèi)邊部R1向外而運動的腐蝕面的具體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。包絡(luò)線U的輪廓即為一個虛擬精確邊部的輪廓，在圖1中用Re表示。在此，第二分型面F2的邊部R2的輪廓與該精確邊部Re的輪廓的偏差Δa應(yīng)不大于±10nm。這樣可有利地確保第一分型面F1的邊部R1與第二分型面F2的邊部R2的間距a最大以偏差Δa而恒定地處于在兩個邊部R1和R2之間的整個區(qū)域內(nèi)。該間距a基本上確定了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電氣特性。在采用FET元件時，它表示信道長度。在下述實施例中都假定相應(yīng)的元件有信道長度a，盡管本發(fā)明的相應(yīng)措施也可應(yīng)用于其他元件類型。有效(實際)的信道長度a通常在50至5000nm的數(shù)量級之間，在采用MOSFETs時優(yōu)選在1000至2000nm之間。在這種區(qū)域內(nèi)流動電流的分布相應(yīng)于信道長度a的恒定不變是均勻的；其結(jié)果是電氣損耗局部相應(yīng)均勻地分布。由此有利地使本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷相應(yīng)均勻化。
此外在圖1中還給出了另一半導(dǎo)體區(qū)G3，它例如通過一種SiC晶面來構(gòu)造。該半導(dǎo)體G3的表面在此包含第二半導(dǎo)體區(qū)G2的分型面F2。各半導(dǎo)體區(qū)G1至G3及其在共同平面E上的表面以公知的方式因其電氣特性不同(例如由于不同的摻雜)而不同。
不言而喻，半導(dǎo)體區(qū)G3可以是一個包圍它的更大半導(dǎo)體區(qū)(G4)的分區(qū)。在這種情況下，邊部R2的輪廓決定了第三半導(dǎo)體區(qū)G3邊部的輪廓。此時，各邊部的間隔狀況優(yōu)選保持和按照本發(fā)明為邊部R2與內(nèi)邊部R1所設(shè)定的間隔狀況一樣。由此可以得出，兩個相互包圍的半導(dǎo)體區(qū)的分型面的邊部至邊部的(實際)信道長度均勻地被調(diào)整在10nm的精度內(nèi)。這樣對n個相互包圍的分區(qū)而言，第(n-1)個和第n個分區(qū)之間的實際信道長度與邊部R1和R2之間的有效信道長度a之差不大于[(n-1)*10]nm。
圖1示出的本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2僅僅具有一個由相互包圍的分區(qū)G1和G2構(gòu)成的晶胞。然而在本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中通常有多個此類晶胞，它們尤其能平行布置。圖3以與圖1相應(yīng)的圖像示出一種具有兩個此類晶胞EZ1和EZ2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)12。這兩個晶胞分別采用與圖1中晶胞相同的方式來構(gòu)造，其中在該圖中屬于晶胞EZ2的部分分別附加剖面線加以表示。因為在平行連接晶胞時希望使電負(fù)荷和熱負(fù)荷盡可能均勻，所以晶胞EZ1和EZ2應(yīng)具有一個至少相當(dāng)一致的結(jié)構(gòu)。因此有利的是兩個晶胞的最內(nèi)分區(qū)G1和G1′至少相當(dāng)一致地進(jìn)行構(gòu)造。接著，在預(yù)定的公差之內(nèi)，兩個晶胞的邊部R2和R2′與最內(nèi)分區(qū)G1或G1′的由前者包圍的邊部R1或R1′等間距布置。至于偏差，在圖3中假定最內(nèi)分區(qū)G1和G1′有不同的大小或面積。如果然后由這些分區(qū)起以相同的腐蝕工藝制造相應(yīng)的邊部R2和R2′，那么就得到至少大體相等的信道長度a或a′。
不言而喻，在本實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)12中，各晶胞也可具有多個相互包圍的分區(qū)。
圖4示出半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)22的一個斷面，它是一個由一種垂直MOSFET構(gòu)成并具有側(cè)信道區(qū)的晶胞的剖面圖。一個MOSFET通常有多個此類晶胞。形成源區(qū)的第一半導(dǎo)體區(qū)G1(例如一種所謂的n+源槽)和形成基區(qū)的第二半導(dǎo)體區(qū)G2(例如一種所謂的p槽)的接觸通過一種V形源金屬涂層23來實現(xiàn)。該金屬涂層23穿過第一半導(dǎo)體G1進(jìn)入第二半導(dǎo)體G2，并經(jīng)過一個源接點23a而閉合。所示元件的有源區(qū)處于第二半導(dǎo)體區(qū)G2的近表面區(qū)。在此，第二半導(dǎo)體區(qū)G2向四周超出第一半導(dǎo)體區(qū)G1的側(cè)向長度與MOSFETs的信道長度a相當(dāng)。
此外在圖4中還示出第三半導(dǎo)體區(qū)G3，它容納第二半導(dǎo)體區(qū)G2以及居中的第一半導(dǎo)體區(qū)G1，并例如由一個所謂的n--Epi層構(gòu)造；一個支承第三半導(dǎo)體區(qū)并例如n+型摻雜的基材24；一個附著在基材24上且具有Drain接點25a的Drain層以及一個處于一個絕緣體26內(nèi)并以場方式(feldmaessig)探測半導(dǎo)體區(qū)G1和G2的門電極27。
圖5與圖4相似，示出本發(fā)明的另一實施例-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)32，它是一種具有一個用來提高阻擋能力的附加p+槽的MOSFET結(jié)構(gòu)。這種槽是一種居中的內(nèi)半導(dǎo)體區(qū)G1，并由半導(dǎo)體區(qū)G2(n+源槽)和半導(dǎo)體區(qū)G3(p-槽)(它們基本上與圖4中的半導(dǎo)體區(qū)G1和G2相當(dāng))在它們處于共同平面E內(nèi)的表面所包圍。圖中，半導(dǎo)體區(qū)G1和G2的邊部之間的間距用a1表示。在此，該源-門的搭接例如是一種電阻線路，它由于本發(fā)明中的微小公差而可有利地構(gòu)造得特別小。與此相對應(yīng)，由a2表示的半導(dǎo)體區(qū)G2和G3的邊部之間的間距即為信道長度。因此，間距a1和a2大小不等。容納半導(dǎo)體區(qū)G1至G3的半導(dǎo)體區(qū)用G4表示，是一種同樣處于一種n+基材24上的n--Epi層。
用相應(yīng)的方式還可構(gòu)造JFET型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或MESFET型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或IGBT型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
不言而喻，除附圖示出的構(gòu)造本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可能性外，SiC技術(shù)中的元件的其他實施形式也是可能的。這些元件至少具有一個居中的內(nèi)半導(dǎo)體區(qū)，后者處于第二半導(dǎo)體區(qū)之內(nèi)。要求這些半導(dǎo)體區(qū)有高的承載能力。
權(quán)利要求
1.一種以碳化硅材料為基材的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它具有多個不同電氣特性的半導(dǎo)體區(qū)，其中至少有-第一半導(dǎo)體區(qū)(G1)，-第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)，其表面包圍第一半導(dǎo)體區(qū)(G1)的表面，即第一分型面(F1)，以及-另一半導(dǎo)體區(qū)(G3)，其表面包圍第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)的表面，即第二分型面(F2)，其特征在于a)第一分型面(F1)的邊部(R1)的輪廓被預(yù)先給定，b)第二分型面(F2)的邊部(R2)的輪廓由第一分型面(F1)的邊部(R1)的輪廓所決定，其方法為虛擬地以第一分型面(F1)的邊部(R1)上的各點為圓心，以恒定半徑(r)作圓(Kj)，所有的圓有一個共同的外包絡(luò)線(U)，它確定第二分型面(F2)的虛擬精確邊部(Re)的輪廓，第二分型面(F2)的實際邊部(R2)與該精確邊部(Re)最大間隔為±10nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于另一半導(dǎo)體區(qū)是第三半導(dǎo)體區(qū)(G3)，它是第四半導(dǎo)體區(qū)(G4)的分區(qū)，它的邊部間隔一定距離包圍第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)的邊部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于第三半導(dǎo)體區(qū)(G3)基本上類似第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)的中心對稱擴展的圖像，且在預(yù)定偏差范圍內(nèi)。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于另一半導(dǎo)體區(qū)(G3或G4)至少包含兩個包圍第一半導(dǎo)體區(qū)(G1)的第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)。
5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于第一半導(dǎo)體區(qū)(G1)的表面、第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)的表面、第三半導(dǎo)體區(qū)(G3)的表面處于一個共同平面E。
6.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二分型面(F2)的邊部(R2)距第一分型面(F1)的邊部(R1)的側(cè)間距(a，a’，a1，a2)在50nm至300nm之間。
7.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計成MISFET結(jié)構(gòu)，尤其是MOSFET結(jié)構(gòu)，JFET結(jié)構(gòu)，MESFET結(jié)構(gòu)或IGBT結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種以碳化硅材料為基材并具有多個不同電氣特性的分區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該SiC半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(2)至少包含三個半導(dǎo)體區(qū)(G1至G3),其中第三半導(dǎo)體(G3)的表面包圍第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)的表面,即第二分型面(F2),而第二半導(dǎo)體區(qū)(G2)表面又包圍第一半導(dǎo)體區(qū)(G1)的表面,即第一分型面(F1)。根據(jù)本發(fā)明,第二分型面(F2)的邊部(R2)的輪廓由第一分型面(F1)的邊部(R1)的輪廓所決定,兩者的關(guān)系是:第二分型面(F2)基本上是第一分型面(F1)的特殊擴展圖像,其中第二分型面(F2)的邊部(R2)的輪廓與該擴展圖像的精確輪廓(Re)的偏差(△a)最大為±10nm。
文檔編號H01L29/16GK1265227SQ98807535
公開日2000年8月30日 申請日期1998年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月31日
發(fā)明者德薩德·彼得斯, 萊因霍爾德·肖納 申請人:西門子公司