DE10037255A1 - Halbleitererzeugnis mit einem Schottky-Kontakt - Google Patents

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.