CN102473738B - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体装置，其具有沟槽结势垒肖特基二极管(TJBS)，所述沟槽结势垒肖特基二极管具有作为筘位元件的集成PN二极管，所述半导体装置尤其适于作为用在机动车发电机***中的具有约20V的击穿电压的Z二极管。在此，TJBS由肖特基二极管和PN二极管的组合构成。对于击穿电压，PN二极管的击穿电压(BV_pn)低于肖特基二极管的击穿电压(BV_schottky)。因此，在击穿中，半导体装置可以以高电流运行。
Description
技术领域
本发明涉及沟槽结势垒肖特基二极管(Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode)的变型方案，所述沟槽结势垒肖特基二极管以下简称TJBS。TJBS二极管为器件设计提供更大的自由空间并且尤其适合作为用于机动车发电机***的具有大约20V的击穿电压的Z功率二极管。
背景技术
在现代机动车中，借助电器件实现越来越多的功能。由此产生了对电功率越来越高的需求。为了满足这种需求，必须提高机动车中的发电机***的效率。
迄今，通常使用PN二极管作为机动车发电机***中的Z二极管。PN二极管的优点一方面是低反向电流而另一方面是高鲁棒性。主要缺点是高正向电压UF。在室温下，在UF＝0.7V时电流才开始流动。在正常运行条件下，例如在500A/cm2的电流密度下，UF升高直至超过1V，这意味着不可忽略的效率损失。
原理上，肖特基二极管可供作为替代方案。肖特基二极管具有比PN二极管低得多的正向电压，例如在500A/cm2的高电流密度时所述正向电压是0.5V到0.6V。此外，肖特基二极管作为多数载流子器件提供了在快速开关运行方面的优点。然而，肖特基二极管迄今没有应用在机动车发电机***中。这归因于肖特基二极管的一些决定性的缺点：1)与PN二极管相比更高的反向电流，2)反向电流与反向电压的极大相关性，以及3)差的鲁棒性，尤其是在高温时。
已经有一些改进肖特基二极管的建议。以下给出两个示例。如在S.Kunori等的《LowleakagecurrentSchottkybarrierdiode》(Proceedingsof1992InternationalSymposiumonPowerSemiconductors&ICs，东京，第80-85页)中公开的JBS(Junction-Barrier-Schottky-Diode：结势垒肖特基二极管)。
如图1所示，JBS由n+衬底1、n外延层2、至少两个扩散到外延层2中的p阱3以及芯片的前侧上的金属层4和背侧上的金属层5组成。从电学方面来看，JBS是具有作为正极的p阱3与作为负极的n外延层2之间的PN结的PN二极管与具有作为正极的金属层4与作为负极的n外延层2之间的肖特基势垒的肖特基二极管的组合。芯片的背侧上的金属层5用作负极电极，芯片的前侧上的金属层4用作具有与p阱3的欧姆接触的正极电极并且同时用作与n外延层2的肖特基接触。
由于肖特基二极管与PN二极管相比正向电压小，电流在正向上仅仅流经肖特基二极管的区域。因此，在JBS中用于正向上的电流流动的有效面积(每面积单位)明显小于传统平面肖特基二极管中的有效面积。
在反向上，空间电荷区随着电压升高而延展并且在小于JBS的击穿电压的电压下在相邻的p阱3之间的区域的中部相遇。由此，部分地屏蔽了负责高反向电流的肖特基效应并且减小了反向电流。所述屏蔽效应极大地取决于结构参数：p扩散的侵入深度Xjp、p阱之间的距离Wn以及p阱的宽度Wp以及p阱3和n外延层2的掺杂浓度，参见图1。
用于实现JBS的p阱的现有技术是p注入和随后的p扩散。通过x方向上的横向扩散(横向扩散的深度与y方向上的垂直扩散的深度相当)，在二维视图中形成柱形的p阱(在垂直于x-y平面的z方向上的长度无限)，其半径相应于侵入深度Xjp。由于空间电荷区径向延展，p阱的所述形状没有表现出肖特基效应的非常有效的屏蔽。不可能仅仅通过更深的p扩散来增强屏蔽作用，因为横向扩散也同时相应地变得更宽。缩短p阱之间的距离Wn也不是好的解决方案，因为由此尽管增强了屏蔽作用但使用于正向上的电流流动的有效面积进一步减小。
用于改进JBS的肖特基效应的屏蔽作用或者势垒降低效应的替代方案在DE-OS102004053761中进行了描述并且称作TJBS。图2示出这样的TJBS(Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode：沟槽结势垒肖特基二极管)，其具有所填充的沟道。TJBS由n+衬底1、n外延层2、至少两个蚀刻到n外延层2中的沟道或沟槽6以及芯片的前侧上作为正极电极的金属层4和芯片的背侧上作为负极电极的金属层5。沟道以p掺杂的硅或多晶硅7填充。尤其是，金属层4也可以由多个不同的、叠置的金属层构成。出于清楚的原因，这在图2中没有示出。从电学方面来看，TJBS是PN二极管(作为正极的p掺杂的沟道7与作为负极的n外延层2之间的PN结)和肖特基二极管(作为正极的金属层4与作为负极的n外延层2之间的肖特基势垒)的组合。
如在传统的JBS中那样，电流在正向上仅仅流经肖特基二极管。然而由于缺乏横向p扩散，在TJBS中，用于正向上的电流流动的有效面积明显大于传统的JBS中的有效面积。在反向上，空间电荷区随着电压升高而延展并且在小于TJBS的击穿电压的电压下在相邻沟道6之间的区域的中部相遇。如在JBS中那样，由此屏蔽负责高反向电流的肖特基效应并且减小了反向电流。所述屏蔽效应极大地取决于结构参数：沟道深度Dt、沟道之间的距离Wm和沟道的宽度Wt以及p阱7和外延层2的掺杂浓度，参见图2。
为了实现TJBS中的沟道，不进行p扩散。由此不存在如在传统的JBS中横向p扩散的负面影响。可以容易地实现空间电荷区在沟道6之间的台面区域(Mesa-Bereich)中的近似一维的延展，因为沟道深度Dt——用于屏蔽肖特基效应的重要结构参数不再与用于正向上的电流流动的有效面积相关。由此，肖特基效应的屏蔽作用比在具有经扩散的p阱的JBS中明显更有效。
另一方面，TJBS由于其钳位功能而提供高鲁棒性。如此设计PN二极管的击穿电压BV_pn，使得BV_pn低于肖特基二极管的击穿电压BV_schottky并且在沟道底部处发生击穿。在击穿运行中，则反向电流仅仅流经PN结。因此，正向和反向在几何结构上是分离的。因此，TJBS具有与PN二极管类似的鲁棒性。此外，在TJBS中没有发生“热”载流子注入氧化物中，因为不存在MOS结构。因此，TJBS良好地适于作为机动车发电机***中的Z二极管。
发明内容
本发明的任务是提供一种肖特基二极管，其具有高鲁棒性和灵活的设计可能性以满足对击穿电压、漏电流和正向电压的不同要求，其适于用作机动车发电机***中的Z功率二极管。
所说明的肖特基二极管的实施例具有如下优点：可以根据要求灵活地定义p阱中的掺杂浓度的组合。因此，与具有p阱中的统一的掺杂浓度的TJBS相比，实现了器件设计方面的灵活性。这些优点通过以下TJBS、即沟槽结势垒肖特基二极管实现：其具有从上向下分成多个区域的、以不同掺杂浓度的p掺杂的硅或多晶硅填充的p阱。
附图说明
附图分别示出：
图1：JBS(结势垒肖特基二极管)
图2：TJBS(具有填充的沟道的沟槽结势垒肖特基二极管)
图3：本发明的TJBS变型方案：实施例1
图4：本发明的TJBS变型方案：实施例2
图5：本发明的TJBS变型方案：实施例3
图6：本发明的TJBS变型方案：实施例4
具体实施方式
一般而言，在沟道尺寸(Wm、Wt、Dt，参见图2)相同的情况下，在具有强掺杂的p+阱的TJBS中势垒降低效应的屏蔽作用更好，因为空间电荷区主要在弱掺杂的n外延层中延展并且存在突变的PN结。这在n外延层的掺杂浓度相同的情况下由于势垒降低效应的更好屏蔽作用导致更小的漏电流。但缺点是更高的正向电压。如果应根据对击穿电压的要求设计n外延层的掺杂浓度，则必须在突变的PN结的情况下弱掺杂n外延层。这样的优点是更小的漏电流，而这样的缺点是更高的正向电压。
在另一方面，对于弱掺杂的p阱，预期势垒降低效应的更弱的屏蔽作用，因为空间电荷区不仅在弱掺杂的n外延层中而且在弱掺杂的p阱中延展，由此存在缓变的PN结。事实是，在对击穿电压的要求相同的情况下与突变的PN结相比必须更强地掺杂n外延层。其优点是更低的正向电压。缺点是更高的漏电流。
在迄今根据DE-OS102004053761的TJBS方案中，在p阱中设有统一的掺杂浓度，因此器件设计时的余地有限。但如果p阱从上向下分成不同的区域并且采用掺杂浓度的灵活组合——即放弃p阱中的统一的掺杂浓度，则可以获得额外的设计自由度并且可以根据对击穿电压、漏电流和正向电压的要求灵活地设计器件。
在图3中示出了本发明的第一实施例。所述TJBS变型方案包括：n+衬底1，n外延层2，至少两个蚀刻到n外延层2中的沟道或沟槽6以及芯片的前侧上作为正极电极的金属层4和芯片的背侧上作为负极电极的金属层5，其中，所述沟道或沟槽6具有宽度Wt、深度Dt和相邻沟道6之间的距离Wm。沟道6的上部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅8填充而下部区域以弱掺杂的p硅或p多晶硅9填充。
所述TJBS变型方案又是具有作为正极的金属层4与作为负极的n外延层2之间的肖特基势垒的肖特基二极管与具有作为正极的p阱与作为负极的n外延层2之间的PN结的PN二极管的组合。与在图2示出的TJBS不同，p阱现在从上向下分成两个区域。沟道6的具有强掺杂的p+硅或p+多晶硅8的上部区域与n外延层2一起是突变的PN结，具有弱掺杂的p硅或p多晶硅9的下部区域与n外延层2一起为缓变的PN结。借助沟道的下部区域中的缓变的PN结可以实现更高的击穿电压和/或更低的正向电压，而沟道的上部区域中的突变的PN结负责势垒降低效应的足够屏蔽作用并且由此负责小的漏电流。
图4示出本发明的第二实施例。与在图3示出的TJBS变型方案不同，现在沟道6的上部区域以p硅或p多晶硅9填充而下部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅8填充。具有弱掺杂的p硅或p多晶硅9的上部区域与n外延层2一起是缓变的PN结而沟道6的具有强掺杂的p+硅或p+多晶硅8的下部区域与n外延层2一起为突变的PN结。借助沟道的下部区域中的突变的PN结可以实现势垒降低效应的良好屏蔽作用并且由此实现更小的漏电流。借助沟道的上部区域中的缓变的PN结，与在完全实施的突变的PN结中的情形相比更弱地提高正向电压。所述变型方案对于具有更低的击穿电压的TJBS是有利的。
在图5和图6中示出了本发明的其他实施例。在图5的实施例3中，p阱从上向下分成三个区域：中间区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅8填充而上部区域和下部区域以弱掺杂的p硅或p多晶硅9填充。
在图6的实施例4中，p阱同样从上向下分成三个区域：中间区域以弱掺杂的p硅或p多晶硅9填充而上部区域和下部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅8填充。与在图3和4中示出的TJBS变型方案相比，这两个实施例还提供了在以过程控制时的极小额外开销设计部件时的更多自由空间。在本发明的TJBS变型方案中，如果本发明的TJBS变型方案的正向电压明显小于PN二极管的正向电压，则电流在正向上如在传统的JBS或TJBS中那样仅仅流经肖特基二极管。
本发明的TJBS变型方案如在图2中示出的TJBS那样由于筘位功能而提供了高鲁棒性。如此设计PN二极管的击穿电压BV_pn，使得BV_pn低于肖特基二极管的击穿电压BV_schottky并且击穿发生在p阱的下部区域与n外延层2之间的PN结处。在击穿运行中，反向电流则仅仅流经PN结。因此，本发明的TJBS变型方案具有与PN二极管类似的鲁棒性。与具有p阱中的统一的掺杂浓度的TJBS相比，本发明的TJBS变型方案有利地通过p阱从上向下分成多个区域为器件设计提供了更大的自由空间。由此可以更好且更灵活地满足如对击穿电压、漏电流和正向电压的要求。
本发明的TJBS变型方案的可能的制造方法包括如下步骤：
-n+衬底作为初始材料
-n外延
-沟道蚀刻
-根据p阱的掺杂组合的设计以强p+掺杂的或弱p掺杂的硅或多晶硅填充沟道
-在需要时在沟道的上部区域中扩散薄的p+层
-在前侧和背侧上金属化。
在本发明的TJBS变型方案中，在芯片的边缘区域中还具有用于减小边缘场强的附加结构。这例如是低掺杂的p区域、场板或者根据现有技术的类似结构。
Claims (10)
1.半导体装置，其具有沟槽结势垒肖特基二极管(TJBS)，所述沟槽结势垒肖特基二极管具有作为箝位元件的集成PN二极管，其中，所述沟槽结势垒肖特基二极管(TJBS)由肖特基二极管和PN二极管的组合构成，其中，所述PN二极管的击穿电压(BV_pn)低于所述肖特基二极管的击穿电压(BV_schottky)，其中，所述半导体装置具有位于n+衬底(1)上并且用作负极区的n外延层(2)，并且在二维视图中存在至少两个蚀刻到所述n外延层(2)中的沟道(6)，并且这些沟道(6)以p掺杂的硅或多晶硅填充并且形成PN二极管的正极区，
其特征在于，
这些沟道(6)从上向下分成由上部区域、中间区域和下部区域组成的三个区域并且以不同掺杂浓度的p掺杂的硅或多晶硅填充，其中，所述上部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅(6)填充，所述中间区域以弱掺杂的p硅或p多晶硅(6)填充并且所述下部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅(6)填充，其中，所述上部区域、所述中间区域和所述下部区域如此设计，使得所述PN二极管的击穿发生在所述下部区域与所述n外延层(2)之间的PN结处。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置的击穿电压(BV_pn)处于20V，并且所述半导体装置被如此构造，使得其充当Z二极管并且在击穿中能够以高电流来运行。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述强掺杂浓度和所述弱掺杂浓度在相应的强或弱掺杂的区域内具有掺杂梯度。
4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，一第二金属层(5)位于所述半导体装置的背侧上并且用作负极电极，以及一第一金属层(4)设置在所述半导体装置的前侧上，其具有与p阱的欧姆接触并且具有与所述n外延层(2)的肖特基接触并且用作正极电极。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述沟道(6)具有矩形形状、U形形状。
6.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，在所述p阱的下部区域与所述n外延层(2)之间的结处发生所述PN二极管的击穿。
7.根据述权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，所述第一金属层(4)和/或所述第二金属层(5)的金属化由两个或更多个叠置的金属层构成。
8.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述沟道(6)设置为带状布置或者设置为岛，其中，所述岛是圆形地或六边形地构造的。
9.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置是用于机动车发电机***的整流器的组成部分。
10.用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置的方法，其特征在于如下步骤：
-在n+衬底上构造n外延层；
-在所述n外延层中蚀刻沟道；
-以p掺杂的硅或多晶硅填充所述沟道，从而所述沟道形成所述PN二极管的正极区，其中，这些沟道(6)从上向下分成由上部区域、中间区域和下部区域组成的三个区域，并且所述上部区域、所述中间区域和所述下部区域如此设计，使得所述PN二极管的击穿发生在所述下部区域与所述n外延层之间的PN结处，并且所述上部区域、所述中间区域和所述下部区域以不同掺杂浓度的p掺杂的硅或多晶硅填充，其中，所述下部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅(6)填充，所述中间区域以弱掺杂的p硅或p多晶硅(6)填充并且所述上部区域以强掺杂的p+硅或p+多晶硅(6)填充；
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