高壓溝槽結勢壘肖特基二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種肖特基二極管，其具有：n+襯底；n外延層；至少兩個置入到n外延層中的p參雜溝槽；臺面區(qū)域，其處于相鄰溝槽之間；充當陰極電極的金屬層；以及充當陽極電極的另外的金屬層。外延層的厚度大于溝槽的深度的四倍。
【專利說明】高壓溝槽結勢壘肖特基二極管
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種肖特基二極管，其適用于高壓應用并且此外還具有低正向電壓、低漏電流，不具有開關損耗并且具有高魯棒性。
現(xiàn)有技術
[0002]針對高壓應用通常使用高壓PN 二極管。這樣的高壓PN 二極管有利地具有低的漏電流以及聞的魯棒性。這樣的聞壓PN 二極管的缺點在于，其具有聞正向電壓和聞開關損耗。
[0003]在這樣的高壓PN 二極管中，電壓主要由在這樣的二極管中設置的弱摻雜區(qū)域來接受。在流動方向上運行的情況下，電子和空穴被注射到弱摻雜區(qū)域中。在高電流密度的情況下，高注射在弱摻雜區(qū)域中占主導，并且電子和空穴密度高于弱摻雜區(qū)域的摻雜濃度。由此提高了弱摻雜區(qū)域的傳導性。這有利地導致正向電壓減小。但是高壓PN 二極管的電流在室溫下從大約UF = 0.7 V的正向電壓起開始流動。在正常運行條件下、例如在大于100A/cm2的電流密度的情況下，正向電壓UF上升到大于IV的值。因此聯(lián)系到相應高的、不期望的損耗功率。由于高壓PN 二極管需要厚的弱摻雜區(qū)域，因此在流動方向上在弱摻雜區(qū)域上的電壓降盡管進行了傳導性調制仍然是相對大的。
[0004]在流動方向 上運行期間注射到弱摻雜區(qū)域中并儲存在那里的載流子(電子和空穴)必須在關斷時、例如在突然的電流換向時在高壓PN 二極管完全能夠再次接受截止電壓以前首先下降。因此，電流在突然的電流換向時首先在截止方向上再次流動，直到所儲存的載流子減少或清除。該過程、即用于減小所儲存的載流子的清除電流的大小和持續(xù)時間尤其是由弱摻雜區(qū)域中所儲存的載流子的量來確定。較高的和持續(xù)時間較長的清除電流意味著較高的關斷損耗。
[0005]肖特基二極管(金屬半導體接觸或硅化物半導體接觸)提供了對開關特性的改善。在肖特基二極管的情況下，在流動運行中不進行高注射并且因此取消了在關斷時對少數載流子的清除。肖特基二極管以快速和幾乎無損耗的方式進行開關。但是尤其是在高溫下，與之相聯(lián)系的是高漏電流，該高漏電流由于勢壘降低效應而具有強烈的電壓依賴性。此外，為了高的截止電壓再次需要厚的和低摻雜的半導體層，這在高電流的情況下導致不可接受的高正向電壓。因此在硅技術中，功率肖特基二極管盡管開關特性良好也仍然不適用于高于大約100V的截止電壓。
[0006]從DE 197 40 195 C2中公知一種下面亦稱Cool-SBD的肖特基二極管。在這種Cool-SBD的情況下，通過在肖特基接觸之下引入經摻雜的、交替布置的P和η型導通的柱體來實現(xiàn)電阻的顯著降低。如果柱體寬度被減小，則可以提高柱體摻雜。在此，P和η型柱體的摻雜被選擇為使得在施加截止電壓的情況下，所有摻雜原子都電離。該原理也被稱為超結原理(SJ)。由于在Cool-SBD中在高電流密度的流動運行中進行高注射，因此純肖特基二極管的理想開關特性未被實現(xiàn)，但是與PN 二極管相比顯著改善。但是PN 二極管的小的正向電壓在高電流的情況下未被實現(xiàn)。[0007]這樣的已知Cool-SBD的示例在圖1中示出。該Cool-SBD具有n+襯底10，在該襯底10上布置有厚度為Djpi且摻雜濃度為ND的η外延層20。η外延層20包含刻入的溝槽30 (Trench)，其被填充有摻雜濃度為NA的P摻雜的硅或在上部區(qū)域40中被填充P+摻雜的硅。相鄰溝槽30之間的η外延層的寬度為Wn，溝槽30的寬度為Wp。摻雜和寬度被選擇為使得這些區(qū)域在施加完全的截止電壓時耗盡(超結原理)。這譬如在NA Wp = ND-Wn = 10口 cm ?時情況如此。在優(yōu)選地實現(xiàn)為芯片的Cool-SBD的前側V上，η
摻雜區(qū)域20和P+摻雜區(qū)域40被連續(xù)的金屬層50覆蓋，該金屬層50與η摻雜區(qū)域20形成肖特基接觸并且與P+摻雜區(qū)域40形成歐姆接觸。金屬層50是Cool-SBD的陽極電極。通過選擇相應的金屬50，可以調整肖特基二極管50-20的勢壘高度。例如，可以作為金屬層50使用鎳或NiSi。在功能層50之上必要時還可以存在另外的未繪出的金屬層，以便使表面例如為可焊接或可接合的。在芯片背側R上同樣存在金屬層或金屬系60，其與高n+摻雜襯底10形成歐姆接觸。通常，該層或層序列適于焊接安裝或其他安裝。所述層或層序列例如可以由Cr/NiV和Ag的序列制成。金屬系60形成Cool-SBD的陰極接線端子。
[0008]可以將前述裝置視為肖特基二極管和PN 二極管的并聯(lián)電路。在此，與η摻雜柱體20的金屬接觸50形成肖特基二極管。PN結構通過由作為ρ+/ρ/ η+結構的P+區(qū)40、ρ區(qū)30和襯底10構成的層序列形成。
[0009]在施加截止電壓時，P摻雜柱體和η摻雜柱體耗盡。隨著寬度Wp和Wn的增加，摻雜可以被提高到至少高達某個極限，該極限從如下情況得出，即空間電荷區(qū)在小電壓時就已經相撞一提高。這在流動方向上減小了肖特基二極管50-20-10的軌道電阻。因此，正向電壓比在簡單肖特基二極管的情況下更低，其中簡單肖特基二極管在相同截止電壓的情況下必然被設計為具有更 低摻雜。附加地，在流動方向上仍有某個電流流經PN 二極管。由此尤其是在高電流密度的情況下進一步減小了正向電壓。但是，少數載流子必須在關斷時以對于開關時間不利的效應又再次被清除。

【發(fā)明內容】

[0010]具有在權利要求1中給定的特征的肖特基二極管適用于高壓應用并且有利地具有低正向電壓、低漏電流，不具有開關損耗并且具有高魯棒性。這些優(yōu)點通過如下方式來實現(xiàn):根據本發(fā)明的肖特基二極管具有:η+襯底；具有一厚度的η外延層；至少兩個置入到η外延層中的溝槽，所述溝槽分別具有一寬度和一深度；處于相鄰溝槽之間的臺面區(qū)域，其中所述臺面區(qū)域分別具有一寬度；處于肖特基二極管背側的充當陰極電極的金屬層；以及處于肖特基二極管前側的充當陽極電極的金屬層，其中針對溝槽的深度和η外延層的厚度有下列關系成立:
K-DK D_epi>
其中Dt是溝槽的深度，D^pi是η外延層的厚度，并且K是因子，針對所述因子有下式成立:
K > 4。
【專利附圖】

【附圖說明】[0011]本發(fā)明的另外的有利特征從下面根據附圖的示例性闡述中得出。其中:
圖2示出了用于解釋根據本發(fā)明的肖特基二極管的草圖；
圖3示出了用于解釋根據本發(fā)明的肖特基二極管的一個可替代實施方式的草圖；
圖4示出了解釋流動特征曲線的圖表；
圖5不出了解釋電子分布的圖表；
圖6示出了解釋空穴分布的圖表；
圖7示出了解釋儲存電荷變化曲線的圖表；和
圖8示出了用于解釋根據本發(fā)明的肖特基二極管的另一可替代實施方式的草圖?！揪唧w實施方式】
[0012]圖2示出了用于解釋根據本發(fā)明的肖特基二極管的草圖。優(yōu)選以芯片形式實現(xiàn)的該肖特基二極管下面亦稱高壓溝槽結勢壘肖特基二極管或HV-TJBS。
[0013]圖2中所示的HV-TJBS具有η.襯底10、η外延層20、刻入η外延層20中的溝槽(Trench) 70、作為陽極 電極處于芯片前側V的金屬層50、以及作為陰極電極處于芯片背側R的金屬層60。溝槽70被用高P摻雜的硅或多晶硅40a填充。金屬層50和60也可以由兩個或更多個不同的彼此相疊的金屬層構成。為清楚起見，這在圖2中未繪出。從電學上來看，HV-TJBS是溝槽PN 二極管(作為陽極的P摻雜溝槽70與作為陰極的η外延層20之間的PN結)和肖特基二極管(作為陽極的金屬層50與作為陰極的弱摻雜η外延層20之間的肖特基勢壘)的組合。η外延層的摻雜尤其是被選擇為使得在流動方向上以高電流運行時在η外延層中存在高注射。
[0014]在流動方向上，電流首先僅僅流經肖特基二極管。由于缺少側向P擴散，電流在流動方向上的有效面積在HV-TJBS的情況下比在沒有溝槽結構的常規(guī)結勢壘肖特基二極管中明顯更大。隨著電流升高，流動電流也越來越多地流經PN結。
[0015]在截止方向上，空間電荷區(qū)隨著電壓升高而擴張，并且在比HV-TJBS的擊穿電壓小的電壓的情況下在相鄰P溝槽70之間的區(qū)域中部相碰撞。由此，對高截止電流負責的肖特基效應被屏蔽并且截止電流因此被減小。該屏蔽效應高度依賴于結構參數Dt (溝槽的深度)和Wm (溝槽之間的間距)。本發(fā)明的HV-TJBS的屏蔽效果比在沒有溝槽結構的常規(guī)JBS的情況下有效得多。與Cool-SBD相比，HV-TJBS的屏蔽效果也是明顯更強的，因為HV-TJBS具有不連貫的PN結，而不是P區(qū)域和η區(qū)域的電荷補償。P區(qū)域40a比η區(qū)域20顯著更高地摻雜。SJ條件不占主導,而是有HA.m ? ND>Wm成立，其中NA是溝槽70中的摻雜濃度，Wt是溝槽70的寬度，ND是η外延層20中的摻雜濃度，并且Wm是兩個溝槽70之間的η外延層的覽度。
[0016]溝槽的深度Dt被選擇為顯著小于η外延層20的厚度Djpi。優(yōu)選地有下式成立: K - Dl < D_epi,其中 K > 4。
[0017]通過該尺寸確定實現(xiàn)了:n外延層20的盡可能大的區(qū)域被載流子淹沒，或在盡可能大的區(qū)域中存在載流子調制(高注射)。
[0018]本發(fā)明的HV-TJBS通過其鉗位功能提供了高魯棒性。PN 二極管的擊穿電壓BV_pn被設計為使得BV_pn低于肖特基二極管的擊穿電壓BV_Schottky，并且此外在溝槽70的底部發(fā)生擊穿。在擊穿運行中，電流于是僅僅流經PN結。流動運行和擊穿運行在不同位置處發(fā)生并且因此在幾何上是分開的。本發(fā)明的HV-TJBS因此具有與高壓PN 二極管類似的魯棒性。
[0019]在可比較的擊穿電壓、例如650V的情況下，本發(fā)明的HV-TJBS和PN 二極管在室溫下的截止電流是可比較的并且大于比在Cool-SBD情況下更小的數量級。在高溫情況下，HV-TJBS的漏電流由于肖特基接觸的漏電流的溫度依賴性而明顯提高，但是保持為始終比在Cool-SBD的情況下明顯更低。
[0020]圖3示出了用于解釋根據本發(fā)明的肖特基二極管的一個可替代實施方式的草圖。在該可替代的實施方式中，肖特基二極管同樣具有n+襯底10、η外延層20、刻入η外延層20中的溝槽70 (Trench)、以芯片形式實現(xiàn)的肖特基二極管的前側V處的充當陽極電極的金屬層50、以及以芯片形式實現(xiàn)的肖特基二極管的背側R處的充當陰極電極的金屬層60。在該實施方式中，金屬層50延伸直至溝槽70的表面中，并且也可以完全填充溝槽70。
[0021]在該實施方式中，肖特基二極管的PN結通過平面擴散實現(xiàn)。為此目的，給溝槽70覆蓋作為摻雜材料的硼，并且接著進行平面P擴散，這在圖3中用附圖標記40b來表示。通過以在溝槽深度例如為2μπι時例如為0.2μπι的侵入深度進行豐富的(fett)和平面的擴散，在該實施方式中，對肖特基效應的屏蔽效果和截止能力與在根據圖2所述的肖特基二極管的情況下類似，其中在根據圖2所述的肖特基二極管的情況下溝槽被填充P摻雜硅或P摻雜多晶硅。在該可替代的實施方式中，還得到流動方向上的高載流能力和高魯棒性。
[0022]該實施方式與圖2中所示的實施方式相比的優(yōu)點在于工藝簡化，該工藝簡化是與充滿溝槽相比在覆蓋溝槽并接著擴散的情況下得出的。
[0023]圖8示出了基于根據圖3的實施例的可替代的實施方式。區(qū)別在于，金屬層50未延伸直至溝槽中，而是在溝槽70中存在由多晶硅制成的高P摻雜層90。
[0024]圖4示出了解釋流動特征曲線的圖表，其中沿著橫坐標繪出以伏特為單位的正向電壓電壓或允通電壓VF并且沿著縱坐標繪出了以安培為單位的正向電流或允通電流IF。該流動特征曲線是在25°C室溫下使用具有26mm2芯片面積的600V器件的情況下確定的。特征曲線Kl是由硅制成的常規(guī)的高壓PN 二極管的流動特征曲線。特征曲線K2是硅肖特基二極管(S1-SBD)的流動特征曲線。特征曲線K3是Cool-SBD的流動特征曲線。特征曲線K4是根據本發(fā)明的HV-TJBS的流動特征曲線。
[0025]在此，肖特基二極管、Cool-SBD和根據本發(fā)明的HV-TJBS的勢壘高度分別為
0.72eV。
[0026]如可從這些特征曲線中可看出的那樣，HV-TJBS的正向電壓在高達大約400A/cm2的電流密度(對于26mm2的芯片面積而言對應于大約100A)的情況下比在PN 二極管情況下更小。這可以歸因于電流的大份額流經肖特基[dl]。與具有相同勢壘高度的Cool-SBD相t匕，HV-TJBS在大于大約150A/cm2的電流密度的情況下具有優(yōu)點。這可以歸因于在高電流密度的情況下，Cool-SBD中的高注射沒有在HV-TJBS中那么強烈。
[0027]圖5示出了圖解臺面區(qū)域80中部的電子分布的圖表，其中沿著橫坐標繪出了以μ m為單位的與芯片前側相距的間距Y并且沿著縱坐標繪出了每cm3的電子密度ED。這些特征曲線也是在25°C室溫下使用具有26mm2芯片面積的600V器件的情況下確定的。特征曲線Kl示出了由硅制成的常規(guī)的高壓PN 二極管的電子分布。特征曲線K2示出了硅肖特基二極管(S1-SBD)的電子分布。特征曲線K3示出了在Cool-SBD情況下的電子分布。特征曲線K4示出了在根據本發(fā)明的HV-TJBS的情況下的電子分布。在此，肖特基二極管、Cool-SBD和根據本發(fā)明的HV-TJBS的勢壘高度也分別為0.72eV。在HV-TJBS的情況下，所示電子密度是在臺面區(qū)域的中部確定的。在Cool-SBD的情況下，所示電子密度是在η摻雜區(qū)域的中部確定的。
[0028]從圖5所示的電子分布的變化曲線中可以看出，在根據本發(fā)明的裝置的情況下，用電子對η摻雜區(qū)域的淹沒與Cool_SBD可比較，并且比在由硅制成的高壓PN 二極管的情況下顯著更小。
[0029]圖6示出了圖解了空穴分布的圖表，其中沿著橫坐標繪出了以ym為單位的與芯片前側相距的間距Y并且沿著縱坐標繪出了每cm3的空穴密度LD。這些特征曲線也是在25°C室溫下使用具有26mm2芯片面積的600V器件的情況下確定的。特征曲線Kl示出了由硅制成的常規(guī)的高壓PN 二極管的空穴分布。特征曲線K2示出了硅肖特基二極管(S1-SBD)的空穴分布。特征曲線K3示出了 Cool-SBD的空穴分布。特征曲線K4示出了根據本發(fā)明的HV-TJBS的空穴分布。在此，肖特基二極管、Cool-SBD和根據本發(fā)明的HV-TJBS的勢壘高度也分別為0.72eV。在HV-TJBS的情況下，所示電子密度是在臺面區(qū)域的中部確定的。在Cool-SBD的情況下，所示電子密度在η摻雜區(qū)域的中部確定。
[0030]從圖6中所示的空穴分布的變化曲線中可以看出，在根據本發(fā)明的裝置的情況下，用空穴對η摻雜區(qū)域的淹沒可與Cool_SBD比較，并且比在由硅制成的高壓PN 二極管的情況下顯著更小。在根據本發(fā)明的裝置的情況下，在關斷時必然被清除的所儲存的電荷比在高壓PN 二極管的情況下顯著更小。
[0031]圖7示出了解釋儲存電荷特征曲線的圖表，其中沿著橫坐標繪出以秒為單位的時間t并且沿著縱坐標繪出了以安培為單位的陰極電流IK。該儲存電荷變化曲線是在25°C室溫下使用具有26mm2芯片面積的600V器件的情況下確定的，其中此外針對300V的截止電壓VR以作為參數的電流改變dl/dt=4.4kA/ μ s來進行對IOOA的流動電流IF的關斷。特征曲線Kl示出了在由硅制成的常規(guī)的高壓PN 二極管的情況下的儲存電荷變化曲線。特征曲線Κ2示出了在硅肖特基二極管(S1-SBD)的情況下的儲存電荷變化曲線。特征曲線Κ3示出了在Cool-SBD情況下的儲存電荷變化曲線。特征曲線Κ4示出了在根據本發(fā)明的HV-TJBS的情況下的儲存電荷變化曲線。肖特基二極管、Cool-SBD和根據本發(fā)明的HV-TJBS的勢壘高度分別為0.72eV。
[0032]從圖7中所示的儲存電荷變化曲線中尤其是可以看出，根據本發(fā)明的HV-TJBS的開關特性盡管與Cool-SBD的開關特性相比是稍微不利的，但是比由硅制成的常規(guī)的高壓PN 二極管的開關特性顯著更佳。
[0033]本發(fā)明不論如何提供了一種高壓溝槽結勢壘肖特基二極管，該高壓溝槽結勢壘肖特基二極管是溝槽PN 二極管與常規(guī)的肖特基二極管的特殊組合。PN 二極管的擊穿電壓被設計為使得其低于肖特基二極管的擊穿電壓。根據本發(fā)明的HV-TJBS具有流動方向上的高載流能力，具有對截止方向上的肖特基效應的有效屏蔽效果，并且因此具有低漏電流以及由于溝槽PN 二極管的鉗位功能而具有高魯棒性。
[0034]根據本發(fā)明的HV-TJBS與高壓PN 二極管相比的優(yōu)點在于:直到高電流密度的較低正向電壓，這是因為將肖特基接觸的合適勢壘高度與高電流密度時的高注射相組合地使用；以及顯著更小的開關損耗功率，因為在流動運行中，少的載流子通過肖特基接觸被注射到弱摻雜區(qū)域中并且儲存在那里。
[0035]根據本發(fā)明的HV-TJBS與高壓肖特基二極管相比的優(yōu)點在于:在高電流密度時顯著更低的正向電壓，因為通過高注射大大提高了弱摻雜區(qū)域的傳導性；顯著更低的漏電流，這是因為借助于溝槽PN結構對肖特基效應的屏蔽；以及由于溝槽PN 二極管的鉗位效應而明顯更高的魯棒性。
[0036]根據本發(fā)明的HV-TJBS與Cool-SBD相比的優(yōu)點在于:由于較強的高注射而在高電流密度時較低的正向電壓；以及由于對肖特基效應的顯著更有效的屏蔽而更低的漏電流。
[0037]可替代于根據圖2和圖3所述的實施方式，根據本發(fā)明的肖特基二極管也可以通過如下方式來實現(xiàn):根據本發(fā)明的肖特基二極管的所有上述半導體層都具有分別相反的傳導類型，并且陽極接線端子和陰極接線端子的標記可以互換。
[0038]在上面根據圖3或圖8所述的實施方式中，也可以使用其他P摻雜材料。
[0039]上面根據圖3或圖8所述的覆蓋優(yōu)選地通過氣相覆蓋或注入來進行。
[0040]在所有前面所說明的實施方式中，溝槽的大約2 μ m的深度對于600V HV-TJBS是足夠的。
[0041]在上面根據圖2所述的實施方式中，溝槽可以完全或僅僅部分地被填充P摻雜硅或P摻雜多晶硅。
[0042]上述金屬層50和60可以分別由一個、兩個或更多個彼此相疊的金屬層構成。上述溝槽可以以條帶布置或者作為島來布置。這些島可以被構造為圓形、六邊形等等。
[0043]根據本發(fā)明的肖特基二極管可以一如上所述一具有大于100V的擊穿電壓。該擊穿電壓甚至可以大于600V。
[0044]根據本發(fā)明的肖特基二極管可以具有可焊接的前側金屬化部和背側金屬化部。
[0045]根據本發(fā)明的肖特基二極管優(yōu)選地布置在壓入二極管殼體中并且例如可以是機動車輛發(fā)電機的整流器的組成部分。
【權利要求】
1.一種肖特基二極管，具有: 一 n+ 襯底(10), -η外延層(20)，其具有厚度(D_^i)， 一至少兩個置入到η外延層(20)中的溝槽(70)，所述溝槽(70)分別具有寬度(Wt)和深度(Dt)， 一臺面區(qū)域(80)，其處于相鄰的溝槽(70)之間，其中所述臺面區(qū)域(80)分別具有寬度(Wm)， 一處于所述肖特基二極管的背側(R)的充當陰極電極的金屬層(60)，以及 一處于所述肖特基二極管的前側(V)的充當陽極電極的金屬層(50)， 其特征在于，針對溝槽(70)的深度(Dt)和η外延層(20)的厚度(D_epi)有下列關系成立:
K > Dt< D_epi,其中
K > 4。
2.根據權利要求1所述的肖特基二極管，其特征在于，針對溝槽(70)的深度(Dt)與臺面區(qū)域(80)的寬度(Wm)的比例有如下關系成立:
DtZWm >2。
3.根據權利要求1或2所述的肖特基二極管，其特征在于，設置在前側(V)的金屬層(50)與溝槽(70)形成歐姆接觸并且與η外延層(20)形成肖特基接觸。
4.根據權利要求3所述的肖特基二極管，其特征在于，P區(qū)域(40a)與η外延層(20)之間的PN結的擊穿電壓分別小于金屬層(50)與η外延層(20)之間的肖特基接觸的擊穿電壓。
5.根據前述權利要求之一所述的肖特基二極管，其特征在于，所述肖特基二極管能夠以擊穿運行。
6.根據前述權利要求之一所述的肖特基二極管，其特征在于，溝槽(70)被填充高P摻雜硅或高P摻雜多晶硅。
7.根據前述權利要求之一所述的肖特基二極管，其特征在于，溝槽(70)被填充高摻雜多晶硅，并且設置在前側(V)的金屬層(50)接觸多晶硅層。
8.根據權利要求1- 5之一所述的肖特基二極管，其特征在于，在溝槽(70)中含有硼作為摻雜材料。
9.根據權利要求8所述的肖特基二極管，其特征在于，設置在前側(V)的金屬層(50)填充溝槽(70)。
10.根據前述權利要求之一所述的肖特基二極管，其特征在于，所述肖特基二極管具有大于100V的擊穿電壓。
11.根據前述權利要求之一所述的肖特基二極管，其特征在于，所述肖特基二極管的所有層具有分別相反的傳導類型并且陽極電極和陰極電極的標記被互換。
【文檔編號】H01L29/872GK103959479SQ201280059059
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權日:2011年12月1日
【發(fā)明者】N.屈, A.格拉赫 申請人:羅伯特·博世有限公司