DE10037255A1 - Halbleitererzeugnis mit einem Schottky-Kontakt - Google Patents
Halbleitererzeugnis mit einem Schottky-KontaktInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Halbleitererzeugnis, umfassend einen halbleitenden Körper (1), der in einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist und auf dem eine Schottky-Kontaktschicht (2) aufgebracht ist, welche lateral von einem in einem zweiten Leitfähigkeitstyp dotierten Randbereich (3) in dem Körper (1) umringt und berandet ist und mit dem Körper (1) einen Schottky-Kontakt (4) bildet. Dabei sind der Schottky-Kontakt (4) und der Randbereich (3) zusätzlich zu einer Bauelementstruktur verbunden, welche einen den Schottky-Kontakt (4) entsprechend einem vorgegebenen Stoßstrom überlasteten Strom innerhalb des Schottky-Kontakts (4) hält. Der Körper (1) ist insbesondere ein Kristall aus Siliziumcarbid.
Description
Die Anmeldung betrifft ein Halbleitererzeugnis umfassend ei
nen halbleitenden Körper, der in einem ersten Leitfähigkeits
typ dotiert ist und auf dem eine Schottky-Kontaktschicht auf
gebracht ist, welche lateral von einem in einem zweiten Leit
fähigkeitstyp dotierten Randbereich in dem Körper umringt und
berandet ist und mit dem Körper einen Schottky-Kontakt bil
det.
Ein solches Halbleitererzeugnis geht hervor aus der Interna
tionalen Patentanmeldung WO 96/03774 A1, siehe insbesondere
Fig. 2 nebst zugehöriger Beschreibung. Dieses Halbleiterer
zeugnis ist eine Schottky-Diode für eine Anwendung bei einer
hohen Sperrspannung und einem hohen Sperrstrom; der Randbe
reich ist notwendig, um im Bereich des Schottky-Kontaktes die
Entstehung eines übermäßig hohen elektrischen Feldes zu ver
meiden, welches die Spannungsfestigkeit des Halbleitererzeug
nisses erheblich beeinträchtigen könnte.
Der vorliegend relevante Stand der Technik ergibt sich wei
terhin aus der EP 0 380 340 A2, dem US-Patent 4,157,563 und
der DE 38 32 748 A1. Außer dem US-Patent betreffen diese Do
kumente insbesondere jeweils eine Schottky-Diode, realisiert
in halbleitendem Siliziumcarbid, einem Halbleiter, welcher
sich durch einen besonders hohen Bandabstand und weitere po
sitive Eigenschaften auszeichnet.
Von Bedeutung ist auch das Buch "Power Semiconductor Devices"
von B. J. Baliga, PWS Publishing Company, Boston, USA, 1995,
siehe insbesondere das Kapitel 4 und dort den Abschnitt 4.3,
Seiten 182 ff., wo eine Schottky-Diode beschrieben ist, die
zwecks Verbesserung ihrer Spannungsfestigkeit zusätzlich ei
nen speziellen Randbereich enthält, und das Buch "Modern Po
wer Devices" von B. J. Baliga, Krieger Publishing Company,
Malabar, Florida, USA, 1992, insbesondere das Kapitel 3.6,
Seite 79 ff., aus dem ein Hinweis zur Gestaltung eines Randab
schlusses für ein besonders spannungsfestes Halbleitererzeug
nis ersichtlich sind.
Hinweise zur Funktion eines Randbereiches der beschriebenen
Art in einer hochspannungsfesten Schottky-Diode sind auch er
hältlich aus dem Buch "Metal Semiconductor Contacts" von
E. H. Rhoderick und R. H. Williams, 2. Auflage, Clarendon
Press, Oxford UK, 1988, siehe insbesondere die Figur auf Sei
te 131 nebst zugehöriger Beschreibung.
Zu allen zitierten Dokumenten ist festzustellen, dass diese
hinsichtlich der konkreten Auslegung eines Halbleitererzeug
nisses stets nur Bezug nehmen auf die Problematik der Gewähr
leistung einer ausreichenden Sperrspannungsfestigkeit.
Eine Schottky-Diode aus Siliziumcarbid findet zunehmend Inte
resse zur Anwendung in einer Schaltanlage oder einem Schalt
netzteil. In einer solchen Anwendung ist die Schottky-Diode
allerdings nicht nur einer hohen Sperrspannungsbelastung un
terworfen, sondern zumindest gelegentlich auch einer sehr ho
hen Belastung durch Strom, der die Schottky-Diode in Durch
lassrichtung durchquert. Insbesondere dann, wenn über die
Schottky-Diode erstmalig ein Speicherkondensator aufgeladen
werden soll, muss damit gerechnet werden, dass die Schottky-
Diode von einem Strom durchflossen wird, welcher einen Nenn
strom, für den sie eigentlich ausgelegt ist, um ein großes
Vielfaches überschreitet; ein solcher "Stoßstrom" kann mehr
als das Hundertfache des Nennstroms, welcher im Rahmen des
regulären Betriebs üblicherweise nicht überschritten wird,
betragen. Eine funktionsgerechte Auslegung der Schottky-Diode
sollte dementsprechend auch die Möglichkeit der gelegentli
chen Belastung durch einen den Nennstrom wesentlich über
schreitenden Stoßstrom in Betracht ziehen. Eine entsprechende
Erwägung ist dem vorliegenden Stand der Technik allerdings
nicht zu entnehmen.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Halbleitererzeugnis mit einem Schottky-Kontakt anzugeben, in
dem die Durchleitung eines das Halbleitererzeugnis kurzzeitig
überlastenden Stroms von der Höhe eines vorgegebenen Stoß
stroms in kontrollierter Weise erfolgt.
Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Halbleiterer
zeugnis umfassend einen halbleitenden Körper, der in einem
ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist und auf dem eine Schott
ky-Kontaktschicht aufgebracht ist, welche lateral von einem
in einem zweiten Leitfähigkeitstyp dotierten Randbereich in
dem Körper umringt und berandet ist und mit dem Körper einen
Schottky-Kontakt bildet, wobei der Schottky-Kontakt und der
Randbereich zusätzlich zu einer Bauelementstruktur verbunden
sind, welche bei einer Überlastung des Schottky-Kontakts mit
einem Strom entsprechend einem vorgegebenen Stoßstrom den
Strom innerhalb des Schottky-Kontakts hält.
Bei diesem Halbleitererzeugnis ist eine Vorkehrung getroffen
dahingehend, dass der das Halbleitererzeugnis kurzzeitig (ty
pisch für einige Millisekunden) überlastende Strom in dem
vorgesehenen Schottky-Kontakt gehalten wird. Ein "Ausbrechen"
eines Teils des Stroms über den Randbereich wird durch eine
entsprechend dem Schottky-Kontakt parallel geschaltete Bau
elementstruktur unterbunden.
Damit wird insbesondere vermieden, dass sich das Erzeugnis
bei einer Belastung entsprechend dem Stoßstrom unkontrolliert
erwärmt und möglicherweise einen Schaden hervorruft, nicht
nur in sich selbst, sondern auch in einer Schaltung, in die
es eingebunden ist.
Die Schottky-Kontaktschicht besteht aus einem entsprechend
dem für den Körper gewählten Halbleiter und seiner Dotierung
auszuwählenden Metall. Besteht der Körper aus Siliziumcarbid
und ist n-leitfähig dotiert, so kommen als Metall insbesonde
re Titan, Tantal, Chrom und Nickel in Frage. Die Dicke der
Schottky-Kontaktschicht kann in der Regel sehr gering blei
ben; eine typische Dicke beträgt 150 nm. Für jede andere,
insbesondere ohmsche Kontaktierung des Körpers sowie für jede
den Körper nicht direkt kontaktierende Elektrodenschicht
kommt insbesondere Aluminium in Frage.
Die Bauelementstruktur ist vorzugsweise eine von dem Randbe
reich, einer diesen zumindest teilweise überdeckenden Iso
lierschicht und einer diese ihrerseits teilweise überdecken
den, mit der Schottky-Kontaktschicht leitfähig verbundenen
Elektrodenschicht gebildete MIS-Struktur. Diese MIS-Struktur
führt dazu, dass sich in dem den Schottky-Kontakt umgebenden
Randbereich eine Verarmungszone ausbildet, welche verhindert,
dass der zwischen dem Randbereich und dem restlichen Körper
gebildete pn-Übergang in einen leitenden Zustand geraten und
somit einen Teil des Stroms übernehmen könnte. Es versteht
sich, dass die Auslegung der MIS-Struktur alle Umstände und
Anforderungen des jeweiligen Einzelfalles in Betracht ziehen
muss; gegebenenfalls ist die MIS-Struktur in an sich bekann
ter Weise durch eine geeignete Simulation des Halbleiterer
zeugnisses zu ermitteln.
So kann es von Vorteil sein, dass die Elektrodenschicht di
rekt mit dem Randbereich kontaktiert ist und dadurch für die
eigentliche MIS-Struktur eine definierte Potentialdifferenz
gewährleistet.
Vorzugsweise dient die Isolierschicht zusätzlich zu einer
Passivierung des Halbleitererzeugnisses.
Die Elektrodenschicht der MIS-Struktur ist weiterhin vorzugs
weise eine direkte Fortsetzung der Schottky-Kontaktschicht;
dies erleichtert unter Umständen die Herstellung des Halblei
tererzeugnisses wesentlich.
Eine andere vorzugsweise Ausgestaltung des Halbleitererzeug
nisses zeichnet sich dadurch aus, dass die Schottky-Kontakt
schicht den Randbereich direkt kontaktierend überlappt und
die Bauelementstruktur ein weiterer Schottky-Kontakt zwischen
der Schottky-Kontaktschicht und dem Randbereich ist. Diese
Ausgestaltung erfordert besondere Sorgfalt bei der Auslegung
des Randbereiches; unter Umständen ist es nötig, diesen Rand
bereich tiefer in das Körper hereinreichen zu lassen, als es
die Gewährleistung einer vorgegebenen Sperrspannungsfestig
keit erfordern würde; auch muss die Dotierung des Randberei
ches sorgfältig gewählt werden, um die Funktion des gewünsch
ten weiteren Schottky-Kontakts sicherzustellen. Dieser weite
re Schottky-Kontakt hat wegen der anderen Dotierung des Rand
bereiches gegenüber dem Körper eine andere Durchlassrichtung
als der vorher erwähnte Schottky-Kontakt; der weitere Schott
ky-Kontakt sperrt also dann, wenn der erstgenannte Schottky-
Kontakt Strom leitet, und hält somit einen den erstgenannten
Schottky-Kontakt durchfließenden Strom auch bei Überlastung
bis zum vorgegebenen Stoßstrom innerhalb dieses erstgenannten
Schottky-Kontakts.
Das Körper des Halbleitererzeugnisses ist vorzugsweise aufge
teilt in eine an den Schottky-Kontakt direkt angrenzende epi
taktische Schicht mit relativ niedriger Dotierung und ein dem
Schottky-Kontakt abgewandtes Substrat mit relativ hoher Do
tierung, auf welchem die Schicht aufgewachsen ist. Die nied
rige Dotierung der Schicht gewährleistet eine hohe Sperrspan
nungsfestigkeit, die hohe Dotierung des Substrats einen rela
tiv niedrigen Durchlasswiderstand des Halbleitererzeugnisses.
Das Substrat ist weiterhin vorzugsweise mit einem ohmschen
Kontakt kontaktiert, so dass der Anschluss des Halbleiter
erzeugnisses an eine externe Schaltung über die Schottky-
Kontaktschicht einerseits und den ohmschen Kontakt anderer
seits erfolgen kann.
Der Randbereich des Halbleitererzeugnisses ist vorzugsweise
in einen Randabschluss mit der primären Funktion der Gewähr
leistung einer hohen Sperrspannungsfestigkeit integriert.
Das Körper ist besonders vorzugsweise ein Kristall aus Sili
ziumcarbid, wobei insbesondere das Substrat ein Teil einer
aus einem Siliziumcarbid-Volumenkristall geschnittene Scheibe
und die Schicht epitaktisch aufgewachsen sein kann.
Die Schottky-Kontaktschicht des Halbleitererzeugnisses ist
vorzugsweise ihrerseits von einer leitfähigen Kontaktverstär
kungsschicht bedeckt. Diese verbessert sowohl die Kontaktie
rung der Schottky-Kontaktschicht durch Löten, Bonden, Klemmen
oder dergleichen und verbessert die Wärmeabfuhr aus dem Er
zeugnis. Die Kontaktverstärkungsschicht kann aus einem übli
chen Metall wie Aluminium hergestellt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der
Zeichnung erläutert. Jede Figur der Zeichnung ist eine sche
matische Skizze; es wird nicht geltend gemacht, dass die
Zeichnung eine maßstabsgerechte Wiedergabe eines realen Halb
leitererzeugnisses enthalte.
Jede der Fig. 1 bis 3 zeigt ein Schnittbild eines Halblei
tererzeugnisses. In den Figuren tragen einander entsprechende
Bestandteile jeweils dasselbe Bezugszeichen.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Halbleitererzeugnis
ses, aufgebaut auf einem Körper 1 aus einem Halbleiterkris
tall, nämlich Siliziumcarbid. Das Körper 1 ist n-leitend do
tiert und trägt eine Schottky-Kontaktschicht 2 aus Titan, in
einer Dicke von etwa 150 nm. In den Körper 1 eingelassen ist
ein p-leitend dotierter Randbereich 3, welcher einen zwischen
der Schottky-Kontaktschicht 2 und dem Körper 1 gebildeten
Schottky-Kontakt 4 umringt und berandet. Der Schottky-Kontakt
4 hat bekanntlich die Funktion einer Diode, ohne allerdings
gewissen Nachteile einer herkömmlichen, mit einem pn-Übergang
gebildeten Diode zu haben. Aufgabe ist es, einen das Halblei
tererzeugnis überlastenden Strom zu begrenzen auf den eigent
lichen Schottky-Kontakt 4 und insbesondere nicht in den Rand
bereich 3 hineingelangen zu lassen.
Zu diesem Zweck ist über dem Randbereich 3 eine Bauelement
struktur in Form einer MIS-Struktur ausgebildet, welche eine
auf dem Randbereich 3 angeordnete Isolierschicht 5 und eine
mit der Schottky-Kontaktschicht 2 verbundene und auf der Iso
lierschicht 5 aufliegende Elektrodenschicht 6 aus einem her
kömmlichen Metall, hier Aluminium, umfasst. Die Elektroden
schicht 6 ist mit der Schottky-Kontaktschicht 2 verbunden und
kontaktiert auch den Randbereich 3 direkt; dies dient dazu,
ein definiertes Potential in der MIS-Struktur einzustellen.
Die MIS-Struktur bewirkt eine Verarmung des Randbereiches 3
an Ladungsträgern unter der Isolierschicht 5 und verhindert
somit, dass eine aus dem Randbereich 3 und dem Körper 1 ge
bildete pn-Diode leitfähig wird und einen Teil des den
Schottky-Kontakt 4 durchsetzenden Stromes übernimmt. Um die
Kontaktierung der Schottky-Kontaktschicht 2 durch Löten, Bon
den, Klemmen oder dergleichen zu verbessern und die Wärmeab
fuhr aus dem Halbleitererzeugnis zu erleichtern, ist die
Schottky-Kontaktschicht 2 versehen mit einer Kontaktverstär
kungsschicht 7 aus Aluminium, in einer Dicke von mehreren µm.
Diese bildet eine Anode des Halbleitererzeugnisses. Das Kör
per 1 ist zweiteilig strukturiert und umfasst eine epitakti
sche Schicht 8, welche dem Schottky-Kontakt 4 direkt zuge
wandt ist, und ein Substrat 9, welches dem Schottky-Kontakt 4
abgewandt und stärker als die Schicht 8 dotiert ist. Die un
terschiedliche Dotierung dient dazu, einerseits eine hohe
Sperrfähigkeit (dies leistet die Schicht 8) und andererseits
einen geringen Durchlasswiderstand zu erreichen (dies leistet
das Substrat 9).
Das Substrat 9 trägt eine ohmsche Kontaktschicht 10, gebildet
aus Aluminium, welcher eine Kathode des Halbleitererzeugnis
ses bildet.
Die Funktion des Erzeugnisses gemäß Fig. 1 ist stets durch
Simulation oder dergleichen zu überprüfen; insbesondere sind
die Anordnung und die Abmessung der Isolierschicht 5 und der
Elektrodenschicht 6 kritisch für die Funktion. Auch muss ge
gebenenfalls die Dotierung des Randbereiches 3 sorgfältig und
unterstützt durch Simulation oder dergleichen gewählt werden.
Einzelheiten sind anhand jedes Einzelfalles entsprechend
festzulegen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, dass die Isolier
schicht 5 das Halbleitererzeugnis außerhalb des eigentlichen
Schottky-Kontakts 4 vollständig überdeckt. Auch hat die E
lektrodenschicht 6 keinen direkten Kontakt mehr zum Randbe
reich 3 und steht nur mit der Schottky-Kontaktschicht 2 in
Verbindung - sie ist mehr oder weniger eine Verlängerung der
selben. Für die reale Auslegung eines solchen Halbleiterer
zeugnisses gelten die vorstehenden Erwägungen entsprechend.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist hinsichtlich ihrer
grundlegenden Merkmale ebenso aufgebaut wie die Ausführungs
beispiele gemäß den beiden vorstehend abgehandelten Figuren.
Ein Unterschied besteht darin, dass die Bauelementestruktur,
die einen das Halbleitererzeugnis in der Höhe eines vorgege
benen Stoßstroms überlastenden Strom innerhalb des Schottky-
Kontakts 4 hält, ein weiterer Schottky-Kontakt 11, gebildet
zwischen dem Randbereich 3 und der diesen überlappenden
Schottky-Kontaktschicht 2, ist. Der weitere Schottky-Kontakt
11 leitet in der zum Schottky-Kontakt 4 entgegengesetzten
Richtung und sperrt somit, wenn der Schottky-Kontakt 4 von
Strom durchflossen wird. Es kommt also darauf an, die Sperr
fähigkeit des weiteren Schottky-Kontakts 11 hinreichend hoch
zu gestalten, damit dieser weitere Schottky-Kontakt 11 bei
einer Überlastung des Halbleitererzeugnisses bis zum Stoß
strom zuverlässig sperrt. Zu diesem Zweck kommt es darauf an,
sowohl die Überlappung der Schottky-Kontaktschicht 2 mit dem
Randbereich 3 als auch die Abmessungen des Randbereiches 3
den gestellten Anforderungen gemäß auszuwählen; insbesondere
ist damit zu rechnen, dass der Randbereich 3 tiefer in den
Körper 1 hineinreichen muss als wie im Hinblick auf die Funk
tion des Randbereiches 3 zu Gewährleistung einer ausreichen
den Sperrfähigkeit zu fordern wäre. Auch muss die Dotierung
des Randbereiches 3 der Funktion des weiteren Schottky-
Kontaktes 11 entsprechend festgelegt werden. Auch dies kann
unter Anwendung einer üblichen Simulationsprozedur ohne wei
teres festgelegt werden.
Ein konkret zur Produktion in Betracht gezogenes Halbleiter
erzeugnis der beschriebenen Art ist ausgelegt für einen Nenn
strom von 4 A und soll kurzzeitig, typisch für einen Zeitraum
von 10 µs, einen mittleren Stoßstrom von 120 A leiten können.
Der Körper 1 besteht aus Siliziumcarbid. Der Schottky-Kontakt
4 ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 1,4 mm; der Rand
abschluss 3, ausgelegt für eine Sperrspannung von 600 V, ist
kreisringförmig mit einer Breite von etwa 40 µm und schließt
direkt an den Schottky-Kontakt 4 an. Ein kleiner Teil dieses
Randabschlusses 3 ist modifizierbar wie vorstehend erläutert,
um einen eventuellen Stoßstrom vollständig innerhalb des
Schottky-Kontaktes 4 zu halten.
Die Erfindung ermöglicht die Realisierung einer Schottky-
Diode, die sowohl im Hinblick auf ihre Sperrfähigkeit als
auch im Hinblick auf ihre Überlastbarkeit durch einen Stoß
strom besonders günstige Eigenschaften besitzt.
Claims (11)
1. Halbleitererzeugnis umfassend einen halbleitenden Körper
(1), der in einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist und
auf dem eine Schottky-Kontaktschicht (2) aufgebracht ist,
welche lateral von einem in einem zweiten Leitfähigkeitstyp
dotierten Randbereich (3) in dem Körper (1) umringt und be
randet ist und mit dem Körper (1) einen Schottky-Kontakt (4)
bildet, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schottky-Kontakt (4) und der Randbereich (3) zusätz
lich zu einer Bauelementstruktur (3, 5, 6; 11) verbunden
sind, welche einen den Schottky-Kontakt (4) entsprechend ei
nem vorgegebenen Stoßstrom überlastenden Strom innerhalb des
Schottky-Kontakts (4) hält.
2. Halbleitererzeugnis nach Anspruch 1, bei dem die Bauele
mentstruktur (3, 5, 6; 11) eine von dem Randbereich (3), ei
ner diesen zumindest teilweise überdeckenden Isolierschicht
(5) und einer diese ihrerseits teilweise überdeckenden, mit
der Schottky-Kontaktschicht (2) leitfähig verbundenen Elekt
rodenschicht (6) gebildete MIS-Struktur (3, 5, 6) ist.
3. Halbleitererzeugnis nach Anspruch 2, bei dem die Elektro
denschicht (6) direkt mit dem Randbereich (3) kontaktiert
ist.
4. Halbleitererzeugnis nach Anspruch 2 oder Anspruch 3,
bei dem die Isolierschicht (5) zusätzlich zur Oberflächenpas
sivierung dient.
5. Halbleitererzeugnis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei
dem die Elektrodenschicht (6) eine Fortsetzung der Schottky-
Kontaktschicht (2) ist.
6. Halbleitererzeugnis nach Anspruch 1, bei dem die Schottky-
Kontaktschicht (2) den Randbereich (3) direkt kontaktierend
überlappt und die Bauelementstruktur (3, 5, 6; 11) ein weite
rer Schottky-Kontakt (11) zwischen der Schottky-Kontakt
schicht (2) und dem Randbereich (3) ist.
7. Halbleitererzeugnis nach einem der vorigen Ansprüche, bei
dem der Körper (1) aufgeteilt ist in eine an den Schottky-
Kontakt (4) angrenzende epitaktische Schicht (8) und ein dem
Schottky-Kontakt (4) abgewandtes Substrat (9), welches stär
ker dotiert ist als die Schicht (8).
8. Halbleitererzeugnis nach Anspruch 7, bei dem das Substrat
(9) mit einer ohmschen Kontaktschicht (10) kontaktiert ist.
9. Halbleitererzeugnis nach einem der vorigen Ansprüche, bei
dem der Randbereich (3) in einen Randabschluss integriert
ist.
10. Halbleitererzeugnis nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem der Körper (1) ein Kristall aus Siliziumcarbid ist.
11. Halbleitererzeugnis nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Schottky-Kontaktschicht (2) ihrerseits von einer
leitfähigen Kontaktverstärkungsschicht (7) bedeckt ist.
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DE102014115174B4 (de) | 2013-10-31 | 2022-11-24 | Infineon Technologies Ag | Halbleitervorrichtung mit einer korrosionsbeständigen metallisierung und verfahren zu ihrer herstellung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |