DE102004041556B4 - Laterale Schottky-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Laterale Halbleiterdiode umfassend:
– einen Halbleiterkörper (1, 2) aus einem Halbleitersubstrat (1) und einer darauf aufgebrachten epitaktischen Schicht (2), die p- oder n-dotiert ist und eine Hauptoberfläche (5) bildet,
– eine erste Kontakteinrichtung (6), die sich in von einer Seite des Halbleiterkörpers (1, 2) aus erstreckenden und unterhalb der Hauptoberfläche (5) verlaufenden ersten Gräben (3) in der epitaktischen Schicht (2) befindet und einen Schottky-Kontakt mir dem Halbleiterkörper (1,2) bildet, und
– eine zweite Kontakteinrichtung (7), die sich in von einer anderen Seite des Halbleiterkörpers (1, 2) aus erstreckenden und unterhalb der ersten Hauptoberfläche (5) verlaufenden zweiten Gräben (4) in der epitaktischen Schicht befindet und einen Ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper (1, 2) bildet, wobei:
– die ersten und die zweiten Gräben (3, 4) im Wesentlichen fingerartig und im Abstand voneinander ineinander greifen und
– sich so zwischen den beiden Kontakteinrichtungen nur ein durch den Schottky-Kontakt...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine laterale Schottky-Diode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen lateralen Schottky-Diode.
• Es ist seit langem das Bestreben, Halbleiterbauelemente und somit auch Halbleiterdioden in ihren Abmessungen zu verringern und gleichzeitig deren Herstellungsprozess zu vereinfachen.
• Bisherige Halbleiterdioden zeichnen sich durch einen vertikalen Stromfluss durch den Halbleiterkörper der Halbleiterdiode aus, da Anode und Kathode auf der Vorderseite bzw. Rückseite oder umgekehrt des Halbleiterkörpers angebracht sind. Eine derartige Halbleiterdiode mit einem vertikalen Stromfluss erfordert somit zwingend zusätzlich zu einer Vorderseitenprozessierung auch noch eine Rückseitenprozessierung. Vorderseitenprozessierung und Rückseitenprozessierung machen aber den Herstellungsprozess für eine solche Halbleiterdiode aufwändig.
• Eine Rückseitenprozessierung ließe sich nun mit einer lateralen Halbleiterdiode vermeiden, da bei einer solchen lateralen Gestaltung der Stromfluss nicht vertikal, sondern vielmehr horizontal bzw. lateral durch den Halbleiterkörper fließt und Anode sowie Kathode beide auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers untergebracht sind. Im einzelnen ist nur der US 4,754,310 eine Hochvolt-Halbleitervorrichtung bekannt, bei der Trenches fingerförmig ineinander greifen. Dabei kann in einem ersten Trench eine p-leitende Zone durch einen Schottky-Kontakt ersetzt werden, so dass an die Stelle eines pn-Überganges zu n-leitenden Bereichen ein Schottky-Übergang zu diesen n-leitenden Bereichen vorliegt. Die n-leitenden Bereiche grenzen an eine n-leitende Zone in einem weiteren Trench an, welcher auf seiner Oberfläche mit einer Ohm'schen Elektrode ausgekleidet ist. Weiterhin ist in der US 6,011,278 ein laterales Halbleiterbauelement beschrieben, dessen Halbleiterkörper aus Siliziumkarbid besteht.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine laterale Schottky-Diode zu schaffen, welche die auf der Vorderseite eines Halbleiterkörpers zur Verfügung stehende Halbleiteroberfläche optimal ausnutzt; außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen lateralen Halbleiterdiode angegeben werden.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine laterale Halbleiterdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer solchen lateralen Halbleiterdiode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die erfindungsgemäße laterale Schottky-Diode weist also in einem Halbleiterkörper mit einer Hauptoberfläche erste und zweite Gräben, auch Trenches genannt, auf. Dabei sind wenigstens ein erster Graben und wenigstens ein zweiter Graben vorgesehen.
• Die ersten und zweiten Gräben sind im Wesentlichen fingerartig gestaltet, wobei sie im Abstand voneinander ineinander greifen. Dies gilt damit auch für eine erste bzw. eine zweite Kontakteinrichtung, die jeweils in die ersten bzw. zweiten Gräben eingebracht ist.
• Ein gleichrichtender Übergang zwischen der ersten und der zweiten Kontakteinrichtung wird geschaffen, indem für die erste Kontakteinrichtung ein Metall verwendet wird, das mit dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers einen Schottky-Übergang bildet.
• Für den Halbleiterkörper wird in bevorzugter Weise Siliziumcarbid (SiC) verwendet, das sich durch eine hohe Durchbruchfeldstärke auszeichnet, so dass im Vergleich zu beispielsweise Silizium als Halbleitermaterial eine Verarmungszone dünner gestaltet werden kann.
• Anstelle von Siliziumcarbid sind aber auch andere Halbleitermaterialien, wie insbesondere Silizium, A₃B₅-Verbindungshalbleiter, usw. möglich.
• Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lateralen Halbleiterdiode mit Gräben (Trenches) ist besonders vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Grabentiefe t zu der Periode d, in welcher sich die ersten bzw. zweiten Gräben wiederholen, also t/d > 1 gilt. In diesem Fall ist eine solche laterale „Trench-Diode" einer planaren Halbleiterdiode hinsichtlich der Flächenausnutzung deutlich überlegen.
• Entsprechend dem Verhältnis t/d zwischen Trenchtiefe t und Periode d kann die Fläche der erfindungsgemäßen lateralen Schottky-Diode bei konstantem Einschaltwiderstand R_on verkleinert werden. Haben beispielsweise die Kontakteinrichtungen, die als Metallfinger gestaltet sind, eine Breite von etwa 0,5 μm und ist die Periode durch d = 2,5 μm gegeben, so ist bei Verwendung von Siliziumcarbid, bei dem ein Wert für die Breite der Verarmungszone beispielsweise 2 μm beträgt, und einer realistischen Trenchtiefe t von 10 μm nur etwa ein Viertel der Halbleiteroberfläche im Vergleich zu einer planar gestalteten Halbleiterdiode erforderlich. Ein aus Silizium bestehender Halbleiterkörper erfordert bei vergleichbarer Spannungsfestigkeit in Folge seiner entsprechend größeren Verarmungszone für den gleichen Flächenvorteil wie in Siliziumcarbid einen tiefer gestalteten Trench, also eine Trenchtiefe t, die deutlich oberhalb von 10 μm liegt. Silizium hat nämlich eine niedrigere Durchbruchsfeldstärke als Siliziumcarbid und benötigt damit eine größere Raumladungszone bei gleicher anzulegender Spannung und damit tiefere Gräben, um den gleichen Flächenvorteil wie mit Siliziumcarbid zu erhalten.
• Der Halbleiterkörper der erfindungsgemäßen Schottky-Diode besteht vorzugsweise aus einem semi-isolierenden Halbleitersubstrat, auf das durch Epitaxie eine Halbleiterschicht, eine so genannte epitaktische Schicht, aufgebracht ist, in welcher sich die Gräben mit den jeweiligen Kontakteinrichtungen befinden. Es sind aber auch andere Gestaltungen für den Halbleiterkörper möglich.
• Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen lateralen Schottky-Diode liegt darin, dass bei ihr nur die Hauptoberfläche, also die Vorderseite des Halbleiterkörpers, prozessiert werden muss, da Anode und Kathode auf dieser Hauptoberfläche gelegen sind. Ein Substratwiderstand entfällt, da der Strom nur lateral durch den zwischen den Gräben jeweils eine Mesa bildenden Halbleiterkörper fließt, und sich beide Kontakte, also Anodenkontakt und Kathodenkontakt, an der Oberfläche des Halbleiterkörpers befinden.
• Siliziumcarbid ist nicht nur wegen seiner dünnen Verarmungszone ein bevorzugtes Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper, sondern auch in Folge seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und großen Temperaturbeständigkeit besonders geeignet.
• Bei einem Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen lateralen Schottky-Diode werden zunächst in üblicher Weise vorzugsweise in eine auf einem Siliziumcarbidsubstrat aufgebrachte epitaktische Siliziumcarbidschicht erste und zweite Gräben eingebracht. Dies kann in der Weise geschehen, dass jeweils auf einen ersten Graben ein zweiter Graben folgt, so dass die ersten und die zweiten Gräben fingerartig ineinander greifen, jedoch voneinander durch die verbleibende epitaktische Schicht beabstandet sind. Der gleichrichtende Übergang wird durch einen Schottky-Übergang gebildet, indem die ersten Gräben mit einem einen Schottky-Kontakt bildenden Material, beispielsweise Ni, Ti, Au, W, und die zweiten Gräben mit einem Material, das einen ohmschen Kontakt zu dem Halbleitermaterial der epitaktischen Schicht herstellt, beispielsweise NiSi, gefüllt werden. Das Schottky-Kontaktmaterial in den ersten Gräben wird sodann auf einer Seite der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers mit einem ersten Kontaktmetall oder Pad versehen, und das den ohmschen Kontakt bildende Metall in den zweiten Gräben wird auf einer zweiten Seite der Hauptoberfläche ebenfalls mit einem Kontaktmetall oder Pad verbunden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen lateralen Halbleiterdiode mit einem Schottky-Übergang,
• 2 einen Schnitt A-A der Halbleiterdiode von 1,
• 3 einen Schnitt B-B der Halbleiterdiode von 1, und
• 4 bis 8 Schnitte, die zur Erläuterung der Herstellungsschritte für die Halbleiterdiode gemäß der Erfindung nützlich sind.
• In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
• Die 1 bis 3 zeigen eine laterale Siliziumcarbiddiode mit Schottky-Übergängen als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Auf einem semi-isolierenden Siliziumcarbidsubstrat 1 befindet sich eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumcarbidschicht 2, die p- oder n-dotiert ist. Das Siliziumcarbidsubstrat 1 und die Siliziumcarbidschicht 2 bilden einen Halbleiterkörper.
• Selbstverständlich kann, worauf bereits oben hingewiesen wurde, anstelle von Siliziumcarbid auch ein anderes geeignetes Halbleitermaterial für diesen Halbleiterkörper verwendet werden.
• In die Siliziumcarbidschicht 2 sind Gräben (Trenches) 3, 4 eingebracht, welche eine fingerartige Struktur haben und ineinander greifen, wie dies insbesondere aus der Draufsicht von 1 zu ersehen ist. Diese Gräben 3, 4 sind von einer Hauptoberfläche 5 des Halbleiterkörpers aus durch Ätzen in die epitaktische Schicht 2 eingebracht und durchsetzen diese mit einer Tiefe t. Die Periode der Gräben ist durch d gegeben, wie dies in 2 schematisch gezeigt ist: Der Abstand zwischen einer Seitenwand eines Grabens 4 und der entsprechenden Seitenwand eines Grabens 3 beträgt d. Die Gräben 3 erstrecken sich dabei von einer Seite des Halbleiterkörpers aus parallel zur Hauptoberfläche 5, während die Gräben 4 von der anderen Seite des Halbleiterkörpers aus ausgehen und ebenfalls parallel zur Hauptoberfläche 5 verlaufen.
• Die Gräben 3 sind mit einem Metall gefüllt, das einen Schottky-Kontakt mit dem Siliziumcarbid der epitaktischen Schicht 2 bildet, während in die Gräben 4 Metall eingefüllt ist, welches einen ohmschen Kontakt zu diesem Siliziumcarbid herstellt. Auf diese Weise wird ein gleichrichtender Übergang zwischen dem Metall der Gräben 3 und dem Siliziumcarbid der Schicht 2 erzeugt. Damit entstehen in den Gräben 3 Kontaktmetallfüllungen 6 und in den Gräben 4 Kontaktmetallfüllungen 7.
• Wie aus den 1 und 3 zu ersehen ist, hängen die Kontaktmetallfüllungen 6 und die Kontaktmetallfüllungen 7 jeweils auf der Seite des Halbleiterkörpers über Bereiche 8 bzw. 9 zusammen. Insgesamt entstehen so kammartige Strukturen 6, 8 bzw. 7, 9, die, worauf bereits hingewiesen wurde, fingerartig ineinander greifen und Teile von jeweiligen Kontakteinrichtungen sind.
• Auf der Hauptoberfläche 5 befindet sich eine Isolierschicht 10 aus beispielsweise Polyimid. Anstelle von Polyimid kann auch ein anderes geeignetes Material gewählt werden. Besteht der Halbleiterkörper aus Silizium, so wird in bevorzugterweise für die Isolierschicht 10 Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid gewählt.
• Durch Öffnungen 11 in dieser Isolierschicht 10 stehen die Bereiche 8 bzw. 9 mittels entsprechenden Metalldurchführungen 12 mit Kontaktmetallen bzw. Pads 13, 14 in Verbindung, welche so einen Anoden- bzw. Kathodenkontakt darstellen. Diese Kontaktmetalle 13, 14 bilden mit den Durchführungen 12 und den Bereichen 8, 9 sowie den Kontaktmetallfüllungen 6, 7 die jeweiligen Kontakteinrichtungen.
• Die epitaktische Schicht 2 zwischen den einzelnen Kontaktmetallfüllungen 6, 7 stellt Halbleiter-Mesas dar. Durch die Halbleiter-Mesas fließt der Strom lateral bzw. parallel zur Hauptoberfläche 5 und nicht – wie bei bisherigen Dioden – vertikal zu dieser Hauptoberfläche zur gegenüber liegenden Hauptoberfläche.
• Geeignete Werte für die Trenchtiefe t liegen beispielsweise bei etwa 2 bis 40 μm und vorzugsweise bei 10 μm für Siliziumcarbid und bei 4 bis 50 μm und vorzugsweise bei 8 bis 20 μm für Silizium, während die Periode d etwa 1 bis 10 μm und vorzugsweise etwa 2,5 μm in Siliziumcarbid und 0,5 bis 30 μm und vorzugsweise etwa 3,3 μm in Silizium betragen kann.
• Anhand der 4 bis 8 wird im Folgenden noch erläutert, wie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren durchführbar ist.
• 5 zeigt in einem Schnitt ein Siliziumcarbidsubstrat 1 mit einer epitaktischen Siliziumcarbidschicht 2, in die Gräben 3, 4 unter Verwendung einer Hartmaske 15 durch Ätzen eingebracht sind. Die Gräben 3, 4 erstrecken sich dabei von der Hauptoberfläche 5 bis zur Oberfläche des Siliziumcarbidsubstrates 1 (vgl. 4).
• Sodann wird in die Gräben 3 eine Schutzmaske 16 aus beispielsweise Siliziumnitrid oder einem ähnlichen Material eingebracht, und anschließend werden, was nicht zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gehört, die an die Gräben 4 angrenzenden Bereiche der epitaktischen Schicht 2 und des Substrates 1 durch Implantation, insbesondere Schrägimplantation oder Diffusion, dotiert, so dass dort n- oder p-dotierte Zonen 17 entstehen. Sind das Substrat 1 und die Schicht 2 n-dotiert, so wird für die Zonen 17 eine p-Dotierung vorgenommen. Liegt dagegen in dem Substrat 1 und der Schicht 2 eine p-Dotierung vor, so wird für die Zonen 17 eine n-Dotierung gewählt. Auf jeden Fall entsteht so ein pn-Übergang 18. Damit liegt die in 5 gezeigte Struktur vor.
• Nach Entfernen der Schutzmaske 16 aus den Gräben 3 werden Kontaktmetallfüllungen 7 in die Gräben 3, 4 eingebracht. Diese Kontaktmetallfüllungen 7 bilden ohmsche Kontakte mit dem Siliziumcarbid der Schicht 2 bzw. des Substrates 1. Es liegt damit die in 6 dargestellte Struktur vor.
• Es schließt sich sodann ein Planarisierungsschritt mittels insbesondere chemisch-mechanischem Polieren (CMP) bzw. Rückätzen an, bei dem die Hartmaske 15 und die oberen Bereiche der Kontaktmetallfüllungen 7 abgetragen werden. Auf diese Weise entsteht die in 7 dargestellte Struktur.
• Schließlich werden noch die Isolierschicht 10 und die Kontaktmetalle 13, 14 aufgetragen, um die in 8 schematisch im Schnitt gezeigte Halbleiterdiode zu erhalten.

Claims (8)

1. Laterale Halbleiterdiode umfassend: – einen Halbleiterkörper (1, 2) aus einem Halbleitersubstrat (1) und einer darauf aufgebrachten epitaktischen Schicht (2), die p- oder n-dotiert ist und eine Hauptoberfläche (5) bildet, – eine erste Kontakteinrichtung (6), die sich in von einer Seite des Halbleiterkörpers (1, 2) aus erstreckenden und unterhalb der Hauptoberfläche (5) verlaufenden ersten Gräben (3) in der epitaktischen Schicht (2) befindet und einen Schottky-Kontakt mir dem Halbleiterkörper (1,2) bildet, und – eine zweite Kontakteinrichtung (7), die sich in von einer anderen Seite des Halbleiterkörpers (1, 2) aus erstreckenden und unterhalb der ersten Hauptoberfläche (5) verlaufenden zweiten Gräben (4) in der epitaktischen Schicht befindet und einen Ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper (1, 2) bildet, wobei: – die ersten und die zweiten Gräben (3, 4) im Wesentlichen fingerartig und im Abstand voneinander ineinander greifen und – sich so zwischen den beiden Kontakteinrichtungen nur ein durch den Schottky-Kontakt gebildeter gleichrichtender Übergang (18) befindet.
2. Laterale Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus Siliziumcarbid besteht.
3. Laterale Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hauptoberfläche (5) eine Isolierschicht (10) vorgesehen ist, durch die hindurch ein erstes Kontaktmetall (13) mit der ersten Kontakteinrichtung (6) und ein zweites Kontaktmetall (14) mit der zweiten Kontakteinrichtung (7) in Verbindung stehen.
4. Laterale Halbleiterdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (10) eine Polyimidschicht ist.
5. Laterale Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) semi-isolierend ist.
6. Laterale Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Kontakteinrichtungen Kontaktfinger (7, 8) aufweist, die an einem Ende miteinander verbunden sind.
7. Laterale Halbleiterdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmetall in einem Bereich oberhalb des einen Endes gelegen ist.
8. Verfahren zum Herstellen der lateralen Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte: – Einbringen von ersten und zweiten Gräben (3, 4) in eine epitaktische Schicht (2) eines Halbleiterkörpers (1, 2), derart, dass von zwei gegenüber liegenden Seiten einer Hauptoberfläche (5) des Halbleiterkörpers (1, 2) aus diese ersten und zweiten Gräben fingerartig im Abstand voneinander ineinander greifen, – Füllen der Gräben (3, 4) mit Kontaktmetallfüllungen (6, 7), so dass in den ersten Gräben (3) Schottky-Kontakte und in den zweiten Gräben (4) ohmsche Kontakte entstehen, und – Anbringen von Kontaktmetallen (13, 14) an den Kontaktmetallfüllungen (6, 7).