DE102009028241A1

DE102009028241A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE102009028241A1
Application number: DE102009028241A
Authority: DE
Inventors: Ning Qu; Alfred Goerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-10
Also published as: EP2462619A1; KR20120037972A; WO2011015398A1; TW201106486A; US20120187521A1

Abstract

Es wird eine Halbleiteranordnung mit einer Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode mit integrierter Substrat-PN-Diode (TJBS-Sub-PN), als Klammerelement, die sich insbesondere als Z-Diode mit einer Durchbruchspannung von ca. 20 V zum Einsatz in Kfz-Generatorsystemen eignet, beschrieben. Dabei besteht die TJBS-Sub-PN aus einer Kombination von Schottky-Diode, Epi-PN-Diode und Substrat-PN-Diode und die Durchbruchspannung der Substrat-PN-Diode BV_pn ist niedriger als die Durchbruchspannung der Schottky-Diode BV_schottky und die Durchbruchspannung der Epi-PN-Diode BV_epi.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode mit integrierter Substrat-PN-Diode als Klammerelement (im Folgenden vereinfacht TJBS-Sub-PN genannt), die sich insbesondere als Z-Leistungsdiode mit einer Durchbruchspannung von ca. 20 V für den Einsatz in Kfz-Generatorsystem eignet.
In modernen Kfzs werden immer mehr Funktionen mit elektrischen Bauelementen realisiert. Dadurch entsteht ein immer höherer Bedarf an elektrischer Leistung. Um diesen Bedarf zu decken, muss die Effizienz des Generatorsystems im Kfz gesteigert werden. Bis heute werden in der Regel PN-Dioden als Z-Dioden im Kfz-Generatorsystem eingesetzt. Vorteile der PN-Dioden sind einerseits der niedrige Sperrstrom und andererseits die hohe Robustheit. Der Hauptnachteil ist die hohe Flussspannung UF. Bei Raumtemperatur beginnt Strom erst mit UF = 0.7 V zu fließen. Unter normaler Betriebsbedingung, z. B. einer Stromdichte von 500 A/cm², steigt UF bis über 1 V an, was einen unvernachlässigbaren Verlust der Effizienz bedeutet.
Theoretisch stehen Schottky-Dioden als Alternative zur Verfügung. Schottky-Dioden haben eine deutlich niedrigere Flussspannung als PN-Dioden, beispielweise 0.5 V bis 0.6 V bei einer hohen Stromdichte von 500 A/cm². Außerdem bieten Schottky-Dioden als Majoritätsträgerbauelemente Vorteile bei schnellem Schaltbetrieb. Der Einsatz von Schottky-Dioden in Kfz-Generatorsystem erfolgt jedoch derzeit noch nicht. Dies ist auf einige entscheidende Nachteile von Schottky-Dioden zurückzuführen: 1) höherer Sperrstrom im Vergleich zu PN-Dioden, 2) starke Abhängigkeit des Sperrstroms von Sperrspannung, und 3) schlechte Robustheit, insbesondere bei Hochtemperatur.
Es sind Vorschläge bekannt, Schottky-Dioden zu verbessern. Im Folgenden werden zwei Beispiele ausgeführt.

1. JBS Junction-Barrier-Schottky-Dioden warden in S. Kunori, etc., "Low leakage current Schottky barrier diode", Proceedings of 1992 International Symposium on Power Semiconductors & ICs, Tokyo, pp. 80–85 beschrieben. Wie 1 zeigt, besteht die JBS aus einem n⁺-Substrat 1, einer n-Epischicht 2, mindestens zwei in die n-Epischicht 2 diffundierten p-Wannen 3 und Metallschichten an der Vorderseite 4 und an der Rückseite 5 des Chips. Elektrisch gesehen ist die JBS eine Kombination von PN-Diode (PN-Übergang zwischen den p-Wannen 3 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode) und einer Schottky-Diode (Schottky-Barriere zwischen der Metallschicht 4 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode). Die Metallschicht an der Rückseite des Chips 5 dient als Kathodenelektrode, die Metallschicht an der Vorderseite des Chips 4 als Anodenelektrode mit ohmschem Kontakt zu den p-Wannen 3 und gleichzeitig als Schottky-Kontakt zur n-Epischicht 2.

Wegen der kleinen Flussspannung der Schottky-Diode im Vergleich zur PN-Diode fließen Ströme in der Flussrichtung nur durch den Bereich der Schottky-Diode. Folgedessen ist die effektive Fläche (pro Flächeneinheit) für den Stromfluss in Flussrichtung bei einer JBS deutlich kleiner als bei einer konventionellen Planar-Schottky-Diode. In der Sperrrichtung dehnen sich die Raumladungszonen mit steigender Spannung aus und stoßen sich bei einer Spannung, die kleiner als die Durchbruchspannung der JBS ist, in der Mitte des Bereichs zwischen den benachbarten p-Wannen 3 zusammen. Dadurch wird der Schottky-Effekt, der für die hohen Sperrströme verantwortlich ist, teilweise abgeschirmt und der Sperrstrom reduziert. Dieser Abschirmeffekt ist stark von den Strukturparametern Xjp (Eindringtiefe der p-Diffusion), Wn (Abstand zwischen den p-Wannen) sowie Wp (Breite der p-Wanne) abhängig.
Üblich zur Realisierung der p-Wannen einer JBS ist p-Implantation und anschließende p-Diffusion. Durch laterale Diffusion in der x-Richtung, deren Tiefe vergleichbar mit der vertikalen Diffusion in der y-Richtung ist, entstehen zylindrische p-Wannen in der zweidimensionalen Darstellung (unendliche Länge in der z-Richtung senkrecht zur x-y-Ebene), deren Radius der Eindringtiefe Xjp entspricht. Wegen der radialen Ausdehnung der Raumladungszonen zeigt diese Form von p-Wannen keine sehr wirkungsvolle Abschirmung des Schottky-Effektes. Es ist nicht möglich, allein durch tiefere p-Diffusion die Abschirmwirkung zu verstärken, da gleichzeitig auch die laterale Diffusion entsprechend breiter wird. Es ist auch sehr bedenklich, den Abstand zwischen den p-Wannen Wn zu verkleinern. Dadurch wird zwar die Abschirmwirkung verstärkt, die effektive Fläche für den Stromfluss in Flussrichtung wird aber weiter reduziert.
Eine Alternative zur Verbesserung der Abschirmwirkung des Schottky-Effekt (Barrier Lowering Effect) einer JBS ist die in der DE 10 2004 053 761 vorgeschlagene TJBS.
Eine TJBS (Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode) mit ausgefüllten Gräben wird in beschrieben. Wie 2 zeigt, besteht diese TJBS-Variante aus einem n⁺-Substrat 1, einer n-Epischicht 2, mindestens zwei in die n-Epischicht 2 eingeätzten Gräben (Trenchs) 6 und Metallschichten an der Vorderseite des Chips 4 als Anodenelektrode und an der Rückseite des Chips 5 als Kathodenelektrode. Die Gräben werden mit p-dotiertem Si oder Poly-Si 7 ausgefüllt. Insbesondere kann die Metallschicht 4 auch aus mehreren unterschiedlichen, übereinander liegenden Metallschichten bestehen. Der Übersichtlichkeit ist dies in nicht eingezeichnet. Elektrisch gesehen ist die TJBS eine Kombination von PN-Diode (PN-Übergang-zwischen den p-dotierten Gräben 7 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode) und Schottky-Diode (Schottky-Barriere zwischen der Metallschicht 4 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode).
Wie bei einer konventionellen JBS fließen Ströme in der Flussrichtung nur durch die Schottky-Diode. Wegen fehlender lateralen p-Diffusion ist jedoch die effektive Fläche für Stromfluss in der Flussrichtung bei der TJBS deutlich größer als bei konventioneller JBS.
In der Sperrrichtung dehnen sich die Raumladungszonen mit steigender Spannung aus und stoßen sich bei einer Spannung, die kleiner als die Durchbruchspannung der TJBS ist, in der Mitte des Bereichs zwischen den benachbarten Gräben 6 zusammen. Wie bei der JBS wird dadurch der für hohe Sperrströme verantwortliche Schottky-Effekt abgeschirmt und die Sperrströme reduziert. Dieser Abschirmeffekt ist stark von Strukturparametern Dt (Tiefe des Grabens), Wm (Abstand zwischen den Gräben) sowie Wt (Breite des Grabens) abhängig, siehe .
Zur Realisierung der Gräben bei der TJBS wird auf die p-Diffusion verzichtet. Dadurch gibt es keine negative Auswirkung von lateraler p-Diffusion wie bei konventioneller JBS. Eine quasi-eindimensionale Ausdehnung der Raumladungszonen in dem Mesa-Bereich zwischen den Gräben 6 kann ohne weiteres realisiert werden, da die Tiefe des Grabens Dt, ein wichtiger Strukturparameter für die Abschirmung des Schottky-Effektes, nicht mehr mit der effektiven Fläche für Stromfluss in der Flussrichtung korreliert. Die Abschirmwirkung von Schottky-Effekten ist damit deutlich effektiver als bei der JBS mit diffundierten p-Wannen.
Andererseits bietet die TJBS eine hohe Robustheit durch seine Klammerfunktion. Die Durchbruchspannung der PN-Diode BV_pn wird so ausgelegt, dass BV_pn niedriger als die Durchbruchspannung der Schottky-Diode BV_schottky ist und der Durchbruch am Boden der Gräben stattfindet. Im Durchbruchsbetrieb fließt der Sperrstrom dann nur durch den PN-Übergang. Flussrichtung und Sperrrichtung sind damit geometrisch getrennt. Die TJBS verfügt damit über eine ähnliche Robustheit wie eine PN-Diode. Außerdem tritt bei einer TJBS die Injektion von ”heißen” Ladungsträgern nicht auf, da keine MOS-Struktur existiert. Folgendessen ist die TJBS als Z-Diode für den Einsatz in Kfz-Generatorsystem gut geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sollen Schottky-Dioden mit niedrigem Sperrstrom, kleinerer Flussspannung, hoher Robustheit und einfacherer Prozessführung geschaffen werden, die, geeignet sind, als Z-Leistungsdioden in Kfz-Generatorsystemen eingesetzt zu werden.
Die erfindungsgemäße Schottky-Diode stellt in vorteilhafter Weise eine TJBS mit integrierter Substrat-PN-Diode als Klammerelement dar und wird im Folgenden vereinfacht ”TJBS-Sub-PN” genannt. Die Gräben reichen bis zum n⁺-Substrat und werden mit p-dotiertem Si oder Poly-Si ausgefüllt. Die Durchbruchspannung der TJBS-Sub-PN wird vom pn-Übergang zwischen den p-Wannen (den mit p-dotiertem Si oder Poly-Si ausgefüllten Gräben) und dem n⁺-Substrat bestimmt. Die Auslegung der p-Wannen ist dabei so gewählt, dass die Durchbruchspannung der Substrat-PN-Diode BV_sub niedriger als die Durchbruchspannung der Schottky-Diode BV_schottky und die Durchbruchspannung der Epi-PN-Diode BV_epi ist. Besonders vorteilhaft ist Im Vergleich zur konventionellen JBS, dass deutlich kleinere Sperrströme durch effektive Abschirmung des Schottky-Effektes auftreten und dass eine deutlich größere effektive Fläche für Stromfluss in der Flussrichtung vorhanden ist. Im Vergleich zur TJBS wird eine kleinere Flussspannung durch eine dünnere EPI-Schicht mit geringerem Bahnwiderstand erhalten.
Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion des Vorschlages mit möglichen Alternativen angegeben.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als TJBS-Sub-PN mit ausgefülltem Graben ist in 3 angegeben. Die 1 und 2 zeigen zwei bekannte Halbleiteranordnungen, wobei 1 eine JBS (Junction-Barrier-Schottky Diode) und 2 eine TJBS (Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode) mit ausgefülltem Graben darstellt.
Wie 3 zeigt, besteht TJBS-Sub-PN dieser Erfindung aus einem n⁺-Substrat 1, einer n-Epischicht 2, mindestens zwei durch die n-Epischicht 2 bis zum n⁺-Substrat 1 eingeätzten Gräben (Trenchs) 6 mit einer Breite Wt, einer Tiefe Dt und einem Abstand zwischen den benachbarten Gräben 6 Wm, und Metallschichten an der Vorderseite des Chips 4 als Anodenelektrode und an der Rückseite des Chips 5 als Kathodenelektrode. Die Gräben 6 werden mit p-dotiertem Si oder Poly-Si 8 ausgefüllt, und in deren oberen Bereichen befinden sich zusätzliche dünne p⁺-Schichten 9 für ohmsche Kontakte zur Metallschicht 4. Ggf. können die dünnen p⁺-Schichten 9 auch etwas zurückgezogen werden, so dass sie sich vollständig innerhalb der p-dotierten Schichten 8 befinden.
Elektrisch gesehen ist die TJBS-Sub-PN eine Kombination von einer Schottky-Diode (Schottky-Barriere zwischen der Metallschicht 4 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode), einer Epi-PN-Diode (PN-Übergang zwischen den p-Wannen (den mit p-dotiertem Si oder Poly-Si ausgefüllten Gräben) 8 als Anode und der n-Epischicht 2 als Kathode, und einer Substrat-PN-Diode (PN-Übergang zwischen den p-Wannen 8 als Anode und dem n⁺-Substrat 1 als Kathode). Die p-Wannen 8 werden so ausgelegt, dass die Durchbruchspannung der TJBS-Sub-PN durch die Durchbruchspannung vom PN-Übergang zwischen den p-Wannen 8 und dem n⁺-Substrat 1 bestimmt wird.
Bei der TJBS-Sub-PN fließen Ströme in der Flussrichtung, wie bei konventioneller JBS oder TJBS, nur durch die Schottky-Diode, falls die Flussspannung der TJBS-Sub-PN deutlich kleiner als Flussspannung der Substrat-PN-Diode ist. In der Sperrrichtung bilden sich bei der Schottky-Diode, der Epi-PN-Diode und der Substrat-PN-Diode Raumladungszonen aus. Die Raumladungszonen dehnen sich mit steigender Spannung sowohl in der n-Epischicht 2 als auch in den p-Wannen 8 aus, und stoßen sich bei einer Spannung, die kleiner als die Durchbruchspannung der TJBS-Sub-PN ist, in der Mitte des Bereichs zwischen den benachbarten Gräben 6 zusammen. Dadurch werden die für hohe Sperrströme verantwortlichen Schottky-Effekte (Barrier Lowering Effect) abgeschirmt und die Sperrströme reduziert. Dieser Abschirmeffekt ist vorwiegend von der Epi-PN-Struktur bestimmt und stark von Strukturparametern Dt (Tiefe des Grabens), Wm (Abstand zwischen den Gräben), Wt (Breite des Grabens), sowie von Dotierkonzentrationen der p-Wanne 8 und der n-Epischicht 2 abhängig, siehe .
Die TJBS-Sub-PN verfügt über ähnliche Abschirmwirkung von Schottky-Effekten und bietet hohe Robustheit durch die Klammerfunktion wie eine TJBS. Die Durchbruchspannung der Substrat-PN-Diode BV_pn wird so ausgelegt, dass BV_pn niedriger als die Durchbruchspannung der Schottky-Diode BV_schottky und die Durchbruchspannung der Epi-PN-Diode BV_epi ist und der Durchbruch am Substrat-PN-Übergang zwischen den p-Wannen 8 und dem n⁺-Substrat 1 stattfindet. Im Durchbruchsbetrieb fließen Sperrströme dann nur durch den Substrat-PN-Übergang. Die TJBS-Sub-PN verfügt damit über ähnliche Robustheit wie eine PN-Diode.
Im Vergleich zur TJBS zeigt die TJBS-Sub-PN dieser Erfindung eine kleinere Flussspannung, da die Durchbruchspannung der TJBS-Sub-PN nicht vom PN-Übergang zwischen den p-Wannen und der n-Epischicht (2) sondern vom Substrat-PN-Übergang zwischen den p-Wannen und dem n⁺-Substrat bestimmt wird (siehe 3). Der bei der TJBS vorhandene Anteil der n-Epischicht zwischen p-Zone und n⁺-Substrat entfällt. Daher ist die gesamte n-Epidicke – und damit der Bahnwiderstand – zum Erreichen gleicher Durchbruchspannung bei der TJBS-Sub-PN kleiner. Dies wirkt sich vorteilhaft für den Betrieb in Flussrichtung (geringere Flussspannung) aus.
Ein weiterer Vorteil von der TJBS-Sub-PN gegenüber der TJBS ist die wesentlich einfachere Prozessführung. Ein Mögliches Herstellungsverfahren von TJBS-Sub-PN umfasst folgende Schritte:

– n⁺-Substrat als Ausgangsmaterial
– n-Epitaxie
– Grabenätzen bis zum n⁺-Substrat
– Ausfüllen der Gräben mit p-dotiertem Si oder Poly-Si
– Diffusion dünner p⁺-Schicht im oberen Bereich der Gräben
– Metallisierung auf Vorder- und Rückseite

Bei der TJBS-Sub-PN können im Randbereich des Chips noch zusätzliche Strukturen zur Reduktion der Randfeldstärke aufweisen. Dies können z. B. niedrig dotierte p-Bereiche, Feldplatten oder ähnliche dem Stand der Technik entsprechende Strukturen sein.
Die bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösungen gewählten Halbleitermaterialien und Dotierungen sind beispielhaft. Es könnte auch jeweils statt n-Dotierung p-Dotierung und statt p-Dotierung n-Dotierung gewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004053761 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- JBS Junction-Barrier-Schottky-Dioden warden in S. Kunori, etc., ”Low leakage current Schottky barrier diode”, Proceedings of 1992 International Symposium on Power Semiconductors & ICs, Tokyo, pp. 80–85 [0004]

Claims

Halbleiteranordnung mit einer Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode mit integrierter Substrat-PN-Diode (TJBS-Sub-PN) als Klammerelement, die sich insbesondere als Z-Diode mit einer Durchbruchspannung im Bereich von 20 V, wobei die TJBS-Sub-PN wenigstens aus einer Kombination von Schottky-Diode, Epi-PN-Diode und Substrat-PN-Diode besteht und die Durchbruchspannung der Substrat-PN-Diode (BV_pn) niedriger als die Durchbruchspannung der Schottky-Diode (BV_schottky) und die Durchbruchspannung der Epi-PN-Diode (BV_ep)i ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Einsatz in Kfz-Generatorsystem geeignet ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sie mit hohen Strömen im Durchbruch betreibbar ist.
Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine n-Epischicht (2) auf dem n⁺-Substrat (1) befindet und als Kathodenzone dient, und sich in der zweidimensionalen Darstellung mindestens zwei durch die n-Epischicht (2) bis zum n⁺-Substrat (1) eingeätzten Gräben (8) befinden, und die Gräben (6) mit p-dotiertem Si oder Poly-Si ausgefüllt sind und als Anodenzone der Substrat-PN-Diode dienen, und sich dünne p⁺-Schichten (9) in oberen Bereichen der Gräben (6) befinden
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallschicht (5) an der Rückseite des Chips Angeordnet ist und als Kathodenelektrode dient, und eine Metallschicht (4) an der Vorderseite des Chips angeordnet ist, mit ohmschem Kontakt zu den p⁺-Schichten (9) und mit einem Schottky-Kontakt zur n-Epischicht (2) und die Metallschicht (4) als Anodenelektrode dient.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (6) durch die n-Epischicht (2) bis zum n⁺-Substrat (1) eingeätzt werden und über eine rechteckige Form, eine U- oder über eine vorgebbare Form verfügen.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung aus zwei oder mehreren übereinander liegenden Metalllagen besteht.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (6) in Streifenanordnung oder als Inseln angeordnet sind, wobei die Inseln kreisförmig, sechseckig oder in einer anderen vorgebbaren Form ausgestaltet sind.
Halberleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schottky-Kontakt aus Nickel, bzw. Nickelsilizid gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens folgende Schritte durchgeführt werden: – Auswahl n⁺-Substrat als Ausgangsmaterial – n-Epitaxie – Grabenätzen bis zum n⁺-Substrat – Ausfüllen der Gräben mit p-dotiertem Si oder Poly-Si – Diffusion dünner p⁺-Schicht im oberen Bereich der Gräben – Metallisierung auf Vorder- und Rückseite.