DE102013019851A1

DE102013019851A1 - Schottky-Diode mit reduzierter Flussspannung

Info

Publication number: DE102013019851A1
Application number: DE102013019851.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Konrath; Roland Rupp; Hans-Joachim Schulze
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN104681637A; US20150144966A1; US9859383B2; DE102013019851B4

Abstract

Halbleiterbauelement umfassend einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps und eine Metallschicht an dem Halbleiterkörper, wobei die Metallschicht mit dem Halbleiterkörper einen Schottkykontakt entlang einer Kontaktfläche ausbildet. Eine Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps variiert an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Halbeiterbauelemente und deren Herstellungsverfahren. Insbesondere beschrieben werden stoßstromfeste Schottky-Dioden und deren Herstellungsverfahren, beispielsweise aus SiC.
Einleitung
Schottky-Dioden weisen neben ihrer Schnelligkeit im Vergleich zu pin-Dioden einen geringen Spannungsabfall in Durchlassrichtung auf. Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung, auch als Flussspannung bezeichnet, ist durch das Material des Schottkymetalls und durch die Dotierung des Halbleiters am Schottkykontakt bestimmt. Neben Silizium können auch andere Halbleitermaterialien für die Schottky-Dioden verwendet werden. Besonders für höhere Sperrspannungen werden häufig Siliziumkarbid (SiC) Schottky-Dioden verwendet.
Eine Veränderung der Flussspannung durch Änderung der Halbleiterdotierung, des Halbleitermaterials oder des Schottkymetalls hat jedoch auch einen Einfluss auf den Sperrstrom.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Verringerung der Flussspannung ohne oder mit nur geringem Einfluss auf die Sperrspannung einer Schottky-Diode.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In einem Beispiel umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, und eine Metallschicht an dem Halbleiterkörper, wobei die Metallschicht mit dem Halbleiterkörper einen Schottkykontakt entlang einer Kontaktfläche ausbildet. Eine Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche variiert entlang einer Richtung der Kontaktfläche.
In einem weiteren Beispiel umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, und eine Metallschicht an dem Halbleiterkörper, wobei die Metallschicht mit dem Halbleiterkörper einen Schottkykontakt entlang einer Kontaktfläche ausbildet. Zumindest ein Bereich des zweiten Leitungstyps und ein Bereich mit erhöhter Dotierungskonzentration sind an der Kontaktfläche angeordnet, an dem die Dotierungskonzentration des erste Leitungstyps höher ist als eine Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein erstes Beispiel einer Schottky-Diode der vorliegenden Beschreibung mit lateral variierender Dotierung an der Kontaktfläche;
2 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein zweites Beispiel der Schottky-Diode der Figur mit lateral variierender Dotierung an der Kontaktfläche;
3 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein drittes Beispiel der vorliegenden Offenbarung mit MPS-Inseln;
4 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein viertes Beispiel der vorliegenden Offenbarung mit MPS-Inseln;
5 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein fünftes Beispiel der Schottky-Diode der vorliegenden Offenbarung; und
6 zeigt anhand einer schematischen Querschnittansicht ein sechstes Beispiel der Schottky-Diode mit vergrabenen p-Gebieten.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
Bevor im Folgenden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Die Figuren zeigen nur einen Teil eines Bauelements und das Bauelement kann weitere Elemente umfassen. Ferner sind die Figuren nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht. Der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Querschnitts durch einen Abschnitt einer Schottky-Diode 110. Dargestellt ist lediglich ein Ausschnitt der Schottky-Diode 110, welcher sich wie dargestellt oder in veränderte Form mehrfach wiederholen kann und an welchen sich nicht dargestellte Randbereiche anschließen können.
Die Schottky-Diode umfasst einen Halbleiterkörper 20, welcher im dargestellten Beispiel ein Substrat 22 und eine dotierte Epitaxieschicht 24 umfasst und welche zusammen eine Driftzone der Schottky-Diode ausbilden. Der Halbleiterkörper 20 kann aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial sein. Es können auch Halbleitermaterialien mit einer größeren Bandlücke verwendet werden. Besonders für höhere Spannungen kann Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden. Die Schottky-Diode umfasst eine Elektrode 30, welche an der Epitaxieschicht 24 angeordnet ist und eine Kontaktfläche 34 mit einem Schottkykontakt mit dem Halbleiterkörper 20 ausbildet. Die Elektrode 30 kann aus einem Metall oder aus jedem anderen Material sein, welches mit der Epitaxieschicht 24 einen Schottkykontakt ausbildet. Die Elektrode 30 bildet die Anode der Schottky-Diode 110 aus und ist mit einem Anodenanschluss 38 verbunden.
Die Epitaxieschicht 24 kann ein dotiertes Halbleitermaterial umfassen, beispielsweise n-dotiertes Silizium, insbesondere n-dotiertes SiC.
An der Kontaktfläche 134 des Schottkykontakts ist im Beispiel der 1 die Dotierungskonzentration der n-dotierten Driftzone lokal erhöht. Diese höher dotierten Bereiche 142 mit erhöhter Dotierungskonzentration gegenüber der Driftzone 24 wechseln sich mit Bereichen niedriger Dotierung ab oder können ganz unterbrochen sein, so dass die Kontaktfläche 134 zumindest einen Bereich mit einer Dotierung aufweist, welche der Dotierung der Driftstrecke entspricht. In diesen Beispielen ergibt sich stets eine laterale Variation der n-Dotierung. Die erhöhte n-Dotierung ist also nicht ganzflächig gleich sondern entlang der Kontaktfläche, also in lateraler Richtung unterschiedlich.
Die Dotierung der Driftstrecke kann eine konstante Dotierung aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Dotierung der Driftstrecke in vertikaler Richtung ändert. In diesem Fall kann die Dotierungsänderung der Driftzone bis in den Bereich der Kontaktfläche 134 fortgesetzt sein.
Durch die laterale Variation der n-Dotierung kann die lokale Erhöhung der n-Dotierung in den höher dotierten Bereichen 142 die Schottkybarriere lokal begrenzt erhöht werden. Dadurch kann die Flussspannung der Diode geändert, insbesondere verringert werden, ohne die Materialzusammensetzung aus Halbeitermaterial der Driftzone und Metall der Anode zu verändern und ohne gleichzeitig den Sperrstrom signifikant zu erhöhen.
Die laterale Variation der n-Dotierung ist in der 1 als diskrete Variation in Stufen dargestellt. Diese Stufen können mehr oder weniger diskret sein und es kann auch eine kontinuierliche oder graduelle laterale Variation oder eine stufenförmige Variation in zwei oder mehr Stufen der Dotierungskonzentration erfolgen. Es ist ebenfalls eine Kombination aus Bereichen mit konstanter n-Dotierung und Übergangsbereichen mit sich ändernder Dotierung oder eine kontinuierlich sich verändernde Dotierungskonzentration an der Kontaktfläche 134 denkbar. Beispielsweise können die höher dotierten Bereiche 142 mittels einer strukturierten flachen Implantation in den Halbleiter, im dargestellten Beispiel in die Epitaxieschicht 24, erreicht werden.
Die flache Implantation führt zu vertikalen Ausdehnungen oder Dicke der höher dotierten Bereiche 142 von beispielsweise weniger als 100 nm, wenn SiC als Halbleitermaterial verwendet wird. Mit einer Implantationsenergie von 50 keV für Stickstoff könne in SiC höher dotierte Bereiche 142 mit einer Dicke von ungefähr 10 nm oder darunter erreicht werden. Wird Silizium als Halbleitermaterial verwendet, kann eine vertikale Dicke der höher dotierten Bereiche im Bereich von bis zu 1 μm vorteilhaft sein.
Die 2 zeigt eine Variante der in der 1 dargestellten Schottky-Diode. Die Schottky-Diode 210 der 2 entspricht der Schottky-Diode 110 der 1 mit dem Unterschied, dass über die gesamte Kontaktfläche 234 zwischen Elektrode 30 und Halbleiterkörper 20 eine durchgehende höher dotierte Schicht 242 angeordnet ist. Die Dotierung der höher dotierten Schicht 242 ist dabei entlang zumindest einer Richtung der Kontaktfläche 234 variiert und enthält Gebiete mit hoher Dotierung 243 und Gebiete mit geringerer Dotierung 244, welche einander abwechseln können. Die höher dotierte Schicht 242 kann ebenfalls mittels einer flachen strukturierten Implantation erzeugt werden.
Die 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schottky-Diode 310 der vorliegenden Offenbarung. Die Schottky-Diode 310 der 3 entspricht dem Beispiel der 1, wobei hier an der Kontaktfläche 334 zusätzlich eine Vielzahl von p-dotierten Gebieten 52 in der Epitaxieschicht 24 angeordnet sind. Diese p-dotierten Gebiete 52 werden auch als MPS-Inseln bezeichnet und dienen der Abschirmung des Schottkykontakts vor starken elektrischen Feldern im Sperrbetrieb der Schottky-Diode. Der Begriff MPS wird auch als Merged PiN Schottky bezeichnet, bei diesen Bauteilen wird der Schottkyübergang von parallel angeordneten pn-Übergängen umgeben, welche durch die MPS-Inseln realisiert sind. Angrenzend an die p-dotierten Gebiete 52 sind an der Kontaktfläche 334 höher dotierte Bereiche 342 angeordnet. Die höher dotierten Bereiche 342 können die p-dotierten Gebiete 52 vollständig oder teilweise umgeben. Die höher dotierten Bereiche 342 weise Lücken 344 auf, an denen die Dotierungskonzentration nicht erhöht ist und der Driftstrecke bzw. der Epitaxieschicht 24 entspricht. Daraus ergibt sich eine Variation der Dotierungskonzentration in lateraler Richtung. Die höher dotierten Bereiche 342 sind ebenfalls in vertikaler Richtung flach und weise eine geringere Tiefe von der Kontaktfläche 334 auf als die p-dotierten Gebiete 52.
Die höher dotierten Bereiche 342 können dabei den höher dotierten Bereichen 42 der 1 entsprechen und ebenfalls durch flache Implantation hergestellt werden. Zusätzlich erfolgt hier eine p-Dotierung, wobei die p-dotierten Gebiete 52 in den höher dotierten Bereichen oder zwischen zwei höher dotierten Bereichen angeordnet werden können.
Die 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schottky-Diode 410. Die Schottky-Diode entspricht im Wesentlichen der Schottky-Diode 310 der 3, wobei hier eine höher dotierte Schicht 442 vorgesehen ist, welche die Zwischenräume zwischen benachbarten p-dotierten Gebieten 52 vollständig ausfüllt. Die höher dotierte Schicht weist dabei Gebiete mit hoher Dotierung 443 und Gebiete mit geringere Dotierung 444 auf, wobei die Dotierung in der höher dotierten Schicht 442 kontinuierlich variiert. Im dargestellten Beispiel sind die Gebiete mit hoher Dotierung 443 angrenzend an die p-dotierten Gebiete 52 angeordnet und die n-Dotierung der höher dotierten Schicht 442 nimmt mit zunehmenden Abstand von den p-dotierten Gebieten 52 ab. Damit ist hier ebenfalls eine Variation der Dotierungskonzentration in lateraler Richtung erreicht. Auch hier kann die laterale Variation der Dotierungskonzentration stufenförmig erfolgen.
Die 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schottky-Diode 510. Die Schottky-Diode 510 entspricht im Wesentlichen der Schottky-Diode 410 der 4, wobei hier höher dotierte Schicht 542 als kontinuierliche n-dotierte Schicht mit im Wesentlichen konstanter, erhöhter n-Dotierung zwischen den p-dotierten Gebieten 52 ausgeführt ist.
Die 6 zeigt noch ein weiteres Beispiel einer Schottky-Diode 610. Die Schottky-Diode 610 der 6 entspricht im Wesentlichen der Schottky-Diode 310 der 3, umfasst jedoch zusätzlich vergrabene p-Gebiete 653. Im dargestellten Beispiel, sind die vergrabenen p-Gebiete 653 jeweils und den p-dotierten Gebieten 52 angeordnet und zu diesen ausgerichtet. Die vergrabenen p-Gebiete 653 sind tiefer im Halbleiterkörper angeordnet und weisen keinen Kontakt mit der Elektrode 30 und der Kontaktfläche 634 auf.
Die vergrabenen p-Gebiete 653 schützen den Schottkykontakt an der Kontaktfläche 634 vor hohen Feldstärken. Die vergrabenen p-Gebiete 653 sind relativ niedrig dotiert und werden in Durchlasspolung der Schottky-Diode mit Ladungsträgern überschwemmt und haben somit keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Flussspannung der Schottky-Diode 610. In Sperrrichtung werden die vergrabenen p-Gebiete 653 ebenfalls in Sperrrichtung vorgespannt, so dass sich in laterale Richtung zwischen den vergrabenen p-Gebieten 653 eine Raumladungszone ausbildet, die den Schottkykontakt vor hohen Feldstärken abschirmt.
In laterale Richtung können sich die vergrabenen p-Gebiete 653 weiter erstrecken als die p-dotierten Gebiete 52, wie in der 6 dargestellt. Dadurch kann die Ausbildung der Raumladungszonen im Sperrfall und damit die Abschirmung des Schottkykontakts verbessert werden.
Während die 6 die Anordnung vergrabener p-Gebiete 653 in der Schottky-Diode 310 der 3 zeigt, können die vergrabenen p-Gebiete genauso mit den Beispielen der 4 und 5 kombiniert werden.

Claims

Halbleiterbauelement umfassend einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps; eine Metallschicht an dem Halbleiterkörper, wobei die Metallschicht mit dem Halbleiterkörper einen Schottkykontakt entlang einer Kontaktfläche ausbildet, wobei eine Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche variiert.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche derart variiert, dass an der Kontaktfläche zumindest ein höher dotierter Bereich ausgebildet wird, welche eine höhere Dotierung aufweist als eine Driftstrecke des Halbleiterbauelements.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche stufenförmig variiert.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche kontinuierlich variiert.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche derart variiert, dass an der Kontaktfläche eine Vielzahl von höher dotierten Bereichen ausgebildet wird, welche eine höhere Dotierung aufweisen als eine Driftstrecke des Halbleiterbauelements.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei zwischen zumindest zwei der höher dotierten Bereiche die Kontaktfläche eine Dotierungskonzentration aufweist, die im Wesentlichen einer Dotierungskonzentration der Driftzone des Halbleiterkörpers entspricht.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der zumindest eine höher dotierte Bereich eine Tiefe in einer Richtung senkrecht zur Kontaktfläche von ungefähr 1 μm oder weniger aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Halbleiterkörper Siliziumkarbid (SiC) umfasst und wobei der zumindest eine höher dotierte Bereich eine Tiefe in einer Richtung senkrecht zur Kontaktfläche von ungefähr 100 nm oder weniger aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem umfassend zumindest ein Gebiet des zweiten Leitungstyps an der Kontaktfläche.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei das Gebiet des zweiten Leitungstyps eine größere Tiefe in einer Richtung senkrecht zur Kontaktfläche aufweist als der zumindest eine höher dotierte Bereich.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei der zumindest eine höher dotierte Bereich in einem Zwischenraum zwischen zwei Gebieten des zweiten Leitungstyps angeordnet ist und die laterale Ausdehnung des zumindest einen höher dotierte Bereichs weniger 1/3 des Zwischenraums umfasst.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem umfassend zumindest ein vergrabenes Gebiet des zweiten Leitungstyps, welches in dem Halbleiterkörper vergraben ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Metallschicht zur Ausbildung des Schottkykontakts zumindest eines aus Au, Pt, Cu, Ni, Ti, TiW, Mo, Ti_xN_y, Mo_xN_y, Pd, Mn, Al, Ag umfasst.
Halbleiterbauelement, umfassend einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps; eine Metallschicht an dem Halbleiterkörper, wobei die Metallschicht mit dem Halbleiterkörper einen Schottkykontakt entlang einer Kontaktfläche ausbildet, zumindest einen Bereich des zweiten Leitungstyps an der Kontaktfläche, und einen Bereich mit erhöhter Dotierungskonzentration an der Kontaktfläche, an dem die Dotierungskonzentration des erste Leitungstyps höher ist als eine Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei der Bereich des zweiten Leitungstyps und der Bereich an der Kontaktfläche, an dem die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps höher ist als eine Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche derart variiert, dass an der Kontaktfläche zumindest ein höher dotierter Bereich ausgebildet wird, welche eine höhere Dotierung aufweist als eine Driftstrecke des Halbleiterbauelements.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche Anspruch 14 bis 16, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche stufenförmig variiert.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche Anspruch 14 bis 16, wobei die Dotierungskonzentration des ersten Leitungstyps an der Kontaktfläche entlang einer Richtung der Kontaktfläche kontinuierlich variiert.
wobei die Metallschicht zur Ausbildung des Schottkykontakts zumindest eines aus Au, Pt, Cu, Ni, Ti, TiW, Mo, Ti_xN_y, Mo_xN_y, Pd, Mn, Al, Ag umfasst.