JP2013541218A - ショットキーダイオードを備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

スーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の半導体装置であって、ｎ^＋基板１０と、ｎエピ層２０と、メサ領域４０と、チップの表面に設けられている金属層５０と、チップの背面に設けられている金属層６０とから成り、前記ｎエピ層２０内にエッチングされた複数の溝（トレンチ）３０は幅Ｗｔと、前記ｎ^＋基板１０への間隔Ｄ＿ｅｐｉとを備えており、前記メサ領域４０は、隣接する前記複数の溝３０の間にあり、幅Ｗｍを備えており、前記チップの表面に設けられている金属層５０は、ショットキーコンタクトであり、アノード電極として用いられており、前記チップの背面に設けられている金属層６０は、オーミックコンタクトであり、カソード電極として用いられており、前記トレンチ壁部には複数のショットキーコンタクト７０が設けられており、当該ショットキーコンタクト７０は幅Ｄ＿ｓｋと、当該ショットキーコンタクト間の間隔Ｄ＿ｇａｐ並びにアノード電極としての前記ショットキーコンタクト５０と最初の前記ショットキーコンタクト７０との間の間隔Ｄ＿ｇａｐを備えている。

Description

従来技術
本発明は、高電圧用途に適しており、同時に低い順方向電圧と小さいスイッチング損失出力とを有しているショットキーダイオードに関する。

高電圧用途に対しては、通常は、高電圧ＰＮダイオードが使用される。高電圧ＰＮダイオードの利点は、低い逆電流と高い頑強性である。欠点は、高い順方向電圧ＵＦと、高いスイッチング損失出力である。

高電圧ＰＮダイオード内では、電圧は主に、弱くドーピングされた領域によって担われる。すなわち、空間電荷領域は主に、弱くドーピングされた領域内で膨張する。この弱くドーピングされた領域のドーピング濃度と厚さは、所定の降伏電圧によって決まる。高い降伏電圧は、弱くドーピングされたこの領域の低いドーピング濃度と、太い厚さを意味する。

順方向での高い電流密度での動作時には、高電圧ＰＮダイオード内では、高注入が占領する。すなわち、電子とホールが、弱くドーピングされた領域内に注入される。高注入時には、その濃度は、弱くドーピングされた領域のドーピング濃度よりも高い。これによって、弱くドーピングされた領域の導電性が修正される。すなわち、導電性が高まる。これは、順方向電圧を有利には低減させる。しかし、高電圧ＰＮダイオードの電流は、室温では、約順方向電圧ＵＦ＝０．７Ｖから流れ始める。通常の動作条件下、例えば電流密度＞１００Ａ／ｃｍ^２では、ＵＦは、１Ｖを超える値まで上昇する。これによって、相応に高い、不所望のパワー損失が生じる。高電圧ＰＮダイオードは厚い、弱くドーピングされた領域を必要とするので、電圧降下は順方向において、弱くドーピングされた領域を介して、導電性の変更にかかわらず、比較的大きい。

電荷担体である、順方向において動作中に弱くドーピングされた領域に注入され、そこに蓄積される電子およびホールは、シャットダウンの際、例えば突然の電流整流時に初めて、高電圧ＰＮダイオードが完全に、再びカットオフ電圧を担うことができる状態になる前に解体される。従って電流は突然の電流整流時にまずは、逆方向で流れ続ける。これは、蓄積された電荷が解体される、ないしは排除されるまで行われる。従ってこの電流はドレイン電流または逆回復電流とも称される。この経過、すなわちドレイン電流のレベルおよび持続時間はまずは、弱くドーピングされた領域内に蓄積されている電荷担体の量によって決まる。電荷担体が多く存在するほど、ドレイン電流は高くなる。高いドレイン電流は、高いシャットダウン損失出力も意味する。時間にわたってカットオフ電流を積分すること、蓄積電荷Ｑｒｒ（逆回復電荷）が得られる。これは、シャットダウン損失出力を表す重要なパラメータであり、できるだけ小さくあるべきである。

高電圧ＰＮダイオードの設計時には、降伏電圧、順方向電圧およびシャットダウン損失出力の間で常に妥協をしなければならない。

高電圧ＰＮダイオードと比べて、高電圧ショットキーダイオードでのシャットダウン損失出力は格段に小さい。高電圧ショットキーダイオードは、いわゆる多数キャリヤーデバイスである。ここでは電流密度が高い場合であっても、動作時に、順方向において高注入は生じない。すなわち、動作中に順方向において電子およびホールは弱くドーピングされた領域内に注入されない。

高電圧ショットキーダイオードでは、導電性変更を伴う高注入は生じないので、高い電流での動作時に、弱くドーピングされた領域で、高い電圧が降下する。これによってこれまで、高い遮断性のショットキーダイオードの使用は、非常に低い電流に制限されてきた。従って高い電流に対するシリコン技術における高電圧ショットキーダイオードは既知ではない。

開示内容
低い順方向電圧を伴う、トレンチ技術における高電圧ショットキーダイオード（ＳＴＳＢＤ＝Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ）が提案される。これは高い電流密度で動作可能であり、小さいシャットダウン損失出力を有している。低い順方向電流へのこれまでの制限はこれによって廃棄される。

発明の中心および利点
本発明のＳｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ（ＳＴＳＢＤ）は、複数のフローティングショットキーコンタクトをトレンチ壁部に有しているトレンチ構造体である。これによってメサ領域内に、周期的に均一な電界分布およびほぼ線形の電圧分布が形成される。所定の降伏電圧に対するドーピング濃度は例えば、従来の高電圧ＰＮダイオードまたは高電圧ショットキーダイオードよりも係数５乃至１０まで高く選択可能である。これによって極めて有利な設計妥協が、降伏電圧と順方向電圧とシャットダウン損失出力との間で得られる。

本発明の特別な利点
高電圧ＰＮダイオードと比べて：高い電流密度のもとでの低いまたは比肩可能な順方向電圧、しかし格段に小さいシャットダウン損失出力
高電圧ショットキーダイオードと比べて：高い電流密度のもとでの格段に低い順方向電圧

本発明の実施例としてのスーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の構造 降伏時の本発明のＳＴＳＢＤの電界分布（シミュレーション）：トレンチ壁部に沿った切断。比較：高電圧ＰＮダイオード、高電圧ショットキーダイオード 降伏時の本発明のＳＴＳＢＤの電圧分布（シミュレーション）：トレンチ壁部に沿った切断 本発明のＳＴＳＢＤの順方向電圧ＶＦと、高電圧ＰＮダイオードおよび高電圧ショットキーダイオードとの比較、１００Ａ／ｃｍ^２までの電流密度（シミュレーション） シャットダウン時の電圧および電流の時間経過特性、本発明のＳＴＳＢＤと高電圧ＰＮダイオードの比較（シミュレーション） 本発明のスーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の別の実施形態の構造 本発明のスーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の別の実施形態の構造

可能な択一的な形態を伴う、本発明の構造および機能の詳細な説明
スーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の本発明に相応する実施例を図１に断面図で示す。ＳＴＳＢＤは、ｎ^＋基板１０と、ｎエピ層２０と、メサ領域４０と、ショットキーコンタクトとして作用する、チップの表面に設けられている金属層５０（アノード電極）と、チップの背面に設けられている金属層６０（カソード電極）とさらなるショットキーコンタクト７０とから成る。ここでｎエピ層２０内にエッチングされた溝（トレンチ）３０は幅Ｗｔとｎ^＋基板１０への間隔Ｄ＿ｅｐｉを備えており、メサ領域４０は幅Ｗｍを備えて、隣接する溝の間にあり、さらなるショットキーコンタクト７０は、幅ないしは間隔Ｄ＿ｓｋおよびショットキーコンタクト間の間隔Ｄ＿ｇａｐを備えて、トレンチ壁部に設けられている。金属層５０は、トレンチ壁部を深さＤ＿ａｎｏｄｅまで覆い、第１のショットキーコンタクト７０に対する間隔Ｄ＿ｇａｐを有している。ショットキーコンタクト７０は、トレンチ壁部でフローティングされている。最後のフローティングショットキーコンタクトはトレンチ底面を覆っている。

本発明のＳＴＳＢＤでは、電流は順方向において、アノード電極としてのショットキーコンタクト５０から、メサ領域４０、トレンチ底面とｎ^＋基板１０との間のエピ領域を通って、カソード電極としてのチップの背面６０へと流れる。フローティングショットキーコンタクト７０を介して、電流は先へと導かれるだけである。なぜならこれは低抵抗の電流経路だからである。

背面コンタクトは、オーミックコンタクトである。全ての別の金属半導体コンタクトはショットキーコンタクトである。

逆方向では、ショットキーコンタクト５０の下方に位置するｎエピ層２０内に、空間電荷領域が形成される。この空間電荷領域は、電圧が上昇するとともに、トレンチ底面の方向において膨張する。空間電荷領域が、電圧Ｖ１のもとで、第１のフローティングショットキーコンタクトに達すると、この電圧Ｖ１は、第１のフローティングショットキーコンタクトによって担われる。空間電荷領域は、さらなる電圧上昇とともに、トレンチ底面の方向にさらに膨張する。第１のフローティングショットキーコンタクトでの電圧は変化しない。

同様に空間電荷領域は、より高い電圧Ｖｎのもとで、ｎ番目のフローティングショットキーコンタクトに達する。この場合には、このｎ番目のフローティングショットキーコンタクトが電圧Ｖｎを担う。同様に、電圧がさらに上昇する場合に、ｎ番目のフローティングショットキーダイオードの電圧は変化しない。

ＳＴＳＢＤ構造体内の幅Ｄ＿ｓｋと間隔Ｄ＿ｇａｐが、全てのショットキーコンタクト７０に対して等しく選択される場合、メサ領域４０内に周期的に均一な電界分布が存在する。この事実は、シミュレーション結果として図２に示されている。メサ領域内の電界分布は間隔Ｄ＿ｓｋ＋Ｄ＿ｇａｐに従って常に繰り返される。これは最終的にトレンチ底面に達するまで続く。シミュレーション結果として図３に示されているメサ領域４０内での電圧分布は、ほぼ線形である。その電界分布が、同様に図２において見て撮れる従来の高電圧ＰＮダイオードまたは高電圧ショットキーダイオードと比較して、本発明ＳＴＳＢＤでは、弱くドーピングされた領域の所定の厚さにおいて、格段に高い電圧が収容可能である。

逆方向状態では、本発明のＳＴＳＢＤは、電気的に、複数の低電圧ダイオードの直列接続として理解される。これに対して順方向動作時には、通常のダイオード直列接続とは異なり、順方向電圧のみが下降する。すなわちアノード金属５０とｎエピ層２０とから成るショットキーダイオードの順方向電圧のみが下降する。従って、従来の高電圧ＰＮダイオードまたは高電圧ショットキーダイオードと比べて、順方向電圧が比肩可能な場合、弱くドーピングされた領域２０のドーピング濃度は、本発明のＳＴＳＢＤでは、格段に高く選択することができる。これは例えば、係数５乃至１０のぶんだけ高い。これによって、高抵抗のｎ領域２０では、下降する電圧は格段に僅かである、ないしは、順方向電圧が比肩可能な場合、格段に高い順方向電流が流れる。

従来の高電圧ショットキーダイオードに対しても、従来の高電圧ＰＮダイオードに対しても、これは、この順方向電圧時の利点を生じさせる。図４では、シミュレーション結果に基づいてこのことが示されている。

ａ）従来の高電圧ショットキーダイオードとの比較：
ＳＴＳＢＤでは順方向電圧は、高い電流密度の領域において、格段に低い。なぜなら、弱くドーピングされている領域のダイオード濃度が格段に高いからである。
ｂ）従来の高電圧ＰＮダイオードとの比較：
バリヤ金属を適切に選択することによって、ＳＴＳＢＤの順方向電圧（低い電圧密度のもとで測定された）を、ＰＮダイオードの比較可能な順方向電圧よりも低く選択することができるので、順方向電圧は電流が高い場合にも低いままである。例えば約１００Ａ／ｃｍ^２の電流密度まで、順方向電圧は０．７を下回り、ＰＮ順方向電圧を下回る。

従来の高電圧ＰＮダイオードに対する本質的な利点は殊に、ＳＴＳＢＤの迅速な、ローパワーのシャットダウン特性である。本発明のＳＴＳＢＤはショットキーダイオードであり、その結果、多数キャリヤーデバイスであるので、シャットダウン損失出力は、高電圧ＰＮダイオードのそれよりも格段に小さい。発明のＳＴＳＢＤと高電圧ＰＮダイオードとの比較の例は図５に示されている。

設計考慮時に以下の構造パラメータが最適である：
Ｄ＿ａｎｏｄｅ（トレンチ壁部を覆う、アノード電極としてのショットキーコンタクト５０の幅）；リーク電流と順方向電圧との間のトレードオフ；
Ｄ＿ｓｋ（トレンチ壁部でのフローティングショットキーコンタクト７０の幅）：メサにおける個々の周期的な領域の分断に影響を与える；
Ｄ＿ｇａｐ（トレンチ壁部でのフローティングショットキーコンタクト７０間の間隔）：メサ領域における電圧分布の線形性に影響を与える；
Ｗｔ（トレンチ領域３０の幅）、順方向電圧に影響を与える；
Ｗｍ（メサ領域４０の幅）、リーク電流と順方向電圧との間のトレードオフ
Ｄ＿ｅｐｉ（トレンチ底面とｎ^＋基板１０との間の間隔）降伏時の全降伏電圧と最後のショットキーコンタクトの電圧のトレードオフ

図２〜図５は、以下の構造パラメータおよびドーピング濃度を有している、１２個のフローティングショットキーコンタクトを伴う２００Ｖ−ＳＴＳＢＤのシミュレーション結果を示している
ドーピング濃度：
ｎエピ層のドーピング濃度＝１Ｅ１６／ｃｍ^３
ｎ^＋基板のドーピング濃度＝１Ｅ１９／ｃｍ^３
Ｄ＿ａｎｏｄｅ＝４μｍ
Ｄ＿ｓｋ＝０．４μｍ
Ｄ＿ｇａｐ＝１．０μｍ
Ｗｔ＝Ｗｍ＝０．８μｍ
Ｄ＿ｅｐｉ＝５μｍ

図６には、本発明による装置の別の実施形態が示されている。図１に示された第１の装置とは異なり、フローティングショットキーコンタクト７０はトレンチ領域３０全体を覆う。ショットキーコンタクト７０の間には、それぞれ誘電層８０が存在する。従って個々のフローティングショットキーコンタクト７０は電気的に相互に、ないしは、アノードコンタクト５０から絶縁されている。誘電層としては有利には、酸化物層が使用される。

第３の実施例が図７に示されている。図６に示された先行例の構造と類似している。図６の実施例とは異なり、誘電層８０はｎドーピングされたポリシリコンまたはシリコン９０によって置換されている。有利には層９０のドーピングは、ｎエピ層２０のドーピングに相応する。

Claims (19)

1. スーパートレンチショットキーバリアダイオード（Ｓｕｐｅｒ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ：ＳＴＳＢＤ）の半導体装置であって、
   ｎ^＋基板（１０）と、ｎエピ層（２０）と、メサ領域（４０）と、チップの表面に設けられている金属層（５０）と、チップの背面に設けられている金属層（６０）とを備え、
   前記ｎエピ層（２０）内にエッチングされた複数の溝ないしはトレンチ（３０）は幅（Ｗｔ）と、前記ｎ^＋基板（１０）への間隔（Ｄ＿ｅｐｉ）とを有しており、
   前記メサ領域（４０）は、隣接する前記複数の溝（３０）の間にあり、幅（Ｗｍ）を有しており、
   前記チップの表面に設けられている金属層（５０）は、ショットキーコンタクトであり、アノード電極として用いられており、
   前記チップの背面に設けられている金属層（６０）は、オーミックコンタクトであり、カソード電極として用いられており、
   前記トレンチ壁部には複数のショットキーコンタクト（７０）が設けられており、当該ショットキーコンタクト（７０）は、幅ないし間隔（Ｄ＿ｓｋ）と、当該ショットキーコンタクト間の間隔（Ｄ＿ｇａｐ）と、アノード電極である前記ショットキーコンタクト（５０）と最初の前記ショットキーコンタクト（７０）との間の間隔（Ｄ＿ｇａｐ）とを有している、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ショットキーコンタクト（７０）は、前記トレンチ壁部でフローティングされている、請求項１記載の半導体装置。
3. ショットキーコンタクトであり、アノード電極として用いられる、チップの表面にある前記金属層（５０）は、前記トレンチ壁部を深さ（Ｄ＿ａｎｏｄｅ）まで覆っている、請求項１記載の半導体装置。
4. チップの表面にある前記金属層（５０）は、前記溝（３０）を深さ（Ｄ＿ａｎｏｄｅ）まで埋めている、請求項１から３までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
5. 最後の前記フローティングショットキーコンタクトは前記トレンチ底面を覆い、前記ｎ^＋基板（１０）に対して間隔（Ｄ＿ｅｐｉ）を有している、請求項１から４までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
6. 前記ＳＴＳＢＤ構造体は、前記フローティングショットキーコンタクト（７０）の均一な幅（Ｄ＿ｓｋ）と、前記ショットキーコンタクト（７０）間の均一な間隔（Ｄ＿ｇａｐ）と、アノード電極である前記ショットキーコンタクト（５０）と最初の前記ショットキーコンタクト（７０）との間の均一な間隔（Ｄ＿ｇａｐ）とを有している、請求項１から５までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
7. メサ領域における電界分布は、間隔（Ｄ＿ｓｋ）＋（Ｄ＿ｇａｐ）に従って、周期的に繰り返される、請求項１から６までのいずれか１項記載または複数項記載の半導体装置。
8. メサ領域における電圧分布はほぼ線形である、請求項１から７までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
9. 前記フローティングショットキーコンタクト（７０）は、それぞれ、前記トレンチ領域全体を覆い、前記フローティングショットキーコンタクトの間には誘電層が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
10. 前記フローティングショットキーコンタクト（７０）は、それぞれ、前記トレンチ領域全体を覆い、前記フローティングショットキーコンタクトの間には、シリコンまたはポリシリコンが設けられている、請求項１から９までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
11. 前記エピ層（２０）のドーピング濃度は、従来の高電圧ＰＮダイオードまたは従来の高電圧ショットキーダイオードにおけるものよりも格段に高い、請求項１から１０までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
12. 前記装置は、２００Ｖ超の領域の降伏電圧を有する、請求項１から１１までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
13. 前記溝（３０）は、長方形の形状またはＵ字形の形状または類似の形状を有している、請求項１から１２までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
14. 前記溝（３０）は、ストリップアレイでまたはアイランドとして配置されており、ここで前記アイランドは円形、六角形等に構成されている、請求項１から１３までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
15. 前記溝（３０）は、エッチングによって前記ｎエピ層内に作成されている、請求項１から１４までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
16. 全ての半導体層がそれぞれ逆の導電型から成り、アノード端子とカソード端子の名称が交換されている、請求項１から１５までのいずれか１項または複数項記載の半導体装置。
17. デバイスとして構成されており、はんだ付け可能な表面金属化部および背面金属化部を有している、請求項１から１６までのいずれか１項記載の半導体装置。
18. 前記デバイスは圧入ダイオードとして構成されており、圧入ダイオードケーシング内に取り付けられている、請求項１７記載の半導体装置。
19. 前記圧入ダイオードは自動車用発電器の整流器内に入れられている、請求項１から１８までのいずれか１項記載の半導体装置。

Images