DE10214160B4 - Semiconductor arrangement with Schottky contact - Google Patents
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Abstract
Halbleiteranordnung, mit: – einem Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Anschlusszone (10, 12; 10A, 12) eines ersten Leitungstyps, einer zweiten Anschlusszone (30) des ersten Leitungstyps und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (10, 12, 30; 10A, 12, 30) ausgebildeten Body-Zone (20) eines zweiten Leitungstyps, der zum ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, wobei die erste Anschlusszone (10, 12; 10A, 12), die Body-Zone (20) und die zweite Anschlusszone (30) wenigstens abschnittsweise in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) übereinander angeordnet sind, – einer Steuerelektrode (40), die isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) in einem Graben (17) ausgebildet ist, der sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) von der zweiten Anschlusszone (30) durch die Body-Zone (20) bis in die erste Anschlusszone (10, 12; 10A, 12) erstreckt, – einer die zweite Anschlusszone (30) kontaktierenden ersten Anschlusselektrode (60), die gegenüber der Steuerelektrode (40) isoliert ist, und – einem Schottky-Kontakt (14), der zwischen der ersten Anschlusselektrode (60) und der ersten Anschlusszone (12) benachbart zu der Body-Zone (20) gebildet ist, wobei: – im Übergangsbereich zwischen der ersten Anschlusselektrode (60) und der ersten Anschlusszone (12) Bereiche mit Schottky-Kontakt (14) und Bereiche (15) ohne Schottky-Kontakt einander abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlusselektrode (60) abschnittsweise in einem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) verlaufenden weiteren, unterhalb der Body-Zone (20) endenden Graben (62) ausgebildet ist, wobei die Bereiche mit Schottky-Kontakt (14) und die Bereiche (15) ohne Schottky-Kontakt angrenzend an den weiteren Graben (62) gebildet sind, und der Schottky-Kontakt an einem Boden des weiteren Grabens (62) gebildet ist, und dass die zweite Anschlusszone (30) an in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) verlaufenden Seitenwänden des weiteren Grabens (62) freiliegt und dort und nicht an einer Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) durch die erste Anschlusselektrode (60) kontaktiert ist, wobei die erste Anschlusselektrode (60) durch eine starke Implantationsdotierung der Seitenwand der Body-Zone (20) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp die Body-Zone (20) mit der zweiten Anschlusszone (30) kurzschließt.A semiconductor arrangement comprising: a semiconductor body (100) with a first connection zone (10, 12; 10A, 12) of a first conductivity type, a second connection zone (30) of the first conductivity type and one between the first and second connection zones (10, 12, 30) ; 10A, 12, 30) formed body zone (20) of a second conduction type which is opposite to the first conduction type, wherein the first connection zone (10, 12; 10A, 12), the body zone (20) and the second connection zone (30) are arranged one above the other at least in sections in the vertical direction of the semiconductor body (100), - a control electrode (40) which is isolated from the semiconductor body (100) in a trench (17) which extends in the vertical direction of the semiconductor body (100 ) extends from the second connection zone (30) through the body zone (20) to the first connection zone (10, 12; 10A, 12), - a first connection electrode (60) contacting the second connection zone (30), which is opposite the Control electr rode (40) is insulated, and - a Schottky contact (14) which is formed between the first connection electrode (60) and the first connection zone (12) adjacent to the body zone (20), wherein: - in the transition area between the first connection electrode (60) and the first connection zone (12) alternate areas with Schottky contact (14) and areas (15) without Schottky contact, characterized in that the first connection electrode (60) in sections in a vertical direction of the Semiconductor body (100) running further trench (62) ending below the body zone (20) is formed, the areas with Schottky contact (14) and the areas (15) without Schottky contact adjoining the further trench (62 ) are formed, and the Schottky contact is formed on a bottom of the further trench (62), and that the second connection zone (30) is exposed on side walls of the further trench (62) running in the vertical direction of the semiconductor body (100) d is contacted there and not on a front side (101) of the semiconductor body (100) by the first connection electrode (60), the first connection electrode (60) having the second conductivity type through a strong implantation doping of the side wall of the body zone (20) Body zone (20) short-circuits with the second connection zone (30).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a semiconductor device according to the preamble of claim 1.
Eine Halbleiteranordnung mit einem MOS-Transistor und einer parallel zu der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors geschalteten Schottky-Diode ist beispielsweise aus der
Derartige Halbleiteranordnungen finden als Leistungs-Bauelemente zum Schalten von Lasten, insbesondere zum Schalten induktiver Lasten, wie beispielsweise Motoren, Verwendung. Solange der MOS-Transistor in Vorwärtsrichtung betrieben ist, das heißt, solange beispielsweise bei einem n-leitenden MOS-Transistor eine positive Drain-Source-Spannung anliegt, sperrt die Schottky-Diode. Wird der MOS-Transistor in Rückwärtsrichtung, also bei einem n-leitenden MOS-Transistor mit einer negativen Drain-Source-Spannung, betrieben, so leitet die Schottky-Diode und wirkt als Freilaufelement. Eine solche Rückwärtsspannung kann beim Schalten induktiver Lasten mittels des MOS-Transistors durch die in der Last nach dem Sperren des MOS-Transistors induzierte Spannung auftreten.Such semiconductor devices find use as power devices for switching loads, in particular for switching inductive loads, such as motors. As long as the MOS transistor is operated in the forward direction, that is, as long as, for example, a positive drain-source voltage is applied to an n-type MOS transistor, the Schottky diode blocks. If the MOS transistor is operated in the reverse direction, ie in the case of an n-type MOS transistor having a negative drain-source voltage, then the Schottky diode conducts and acts as a freewheeling element. Such reverse voltage may occur when inductive loads are switched by the MOS transistor through the voltage induced in the load after the MOS transistor is turned off.
Die Schottky-Diode liegt parallel zu einer in dem MOS-Transistor parallel zu dessen Drain-Source-Strecke vorhandenen Body-Diode, die durch den pn-Übergang zwischen dem Body-Gebiet und der Drain-Zone und durch Kurzschließen des Body-Gebietes mit der Source-Zone gebildet ist. Die Flussspannung der Schottky-Diode ist geringer als die Flussspannung der Body-Diode, so dass die Schottky-Diode stets leitet, bevor die Body-Diode in den leitenden Zustand übergeht. Anders als bei der Body-Diode werden in der Schottky-Diode während des leitenden Zustands keine Ladungsträger gespeichert, die zum Sperren der Schottky-Diode wieder abgeführt werden müssen. Der Einsatz der Schottky-Diode als Freilaufelement reduziert gegenüber der Body-Diode als Freilaufelement also die beim Schalten einer induktiven Last auftretenden Schaltverluste, welche insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen nicht unerheblich sind.The Schottky diode is connected in parallel with a body diode present in the MOS transistor in parallel with its drain-source path, which passes through the pn junction between the body region and the drain region and through short-circuiting of the body region the source zone is formed. The forward voltage of the Schottky diode is lower than the forward voltage of the body diode so that the Schottky diode always conducts before the body diode transitions to the conducting state. Unlike the body diode, no charge carriers are stored in the Schottky diode during the conductive state, which must be dissipated to block the Schottky diode again. The use of the Schottky diode as a freewheeling element reduces compared to the body diode as a freewheeling element thus occurring when switching an inductive load switching losses, which are not insignificant, especially at high switching frequencies.
Mit der Schottky-Diode ist es daher möglich, die in einem DMOS-Transistor bei dessen Schaltbetrieb auftretenden Speicherladungen als Majoritätsladungsträgerstrom abzuführen, so dass durch diese Speicherladungen bedingte Verlustleistungen vermieden werden können.With the Schottky diode it is therefore possible to dissipate the storage charges occurring in a DMOS transistor during its switching operation as a majority carrier current, so that losses caused by these storage charges can be avoided.
Weiterhin ist aus der
Eine ähnliche Halbleiteranordnung ist aus der
Da das Vorsehen separater ”Schottky-Zellen” im Zellenfeld eines MOS-Transistors zum einen bei dessen Herstellung zusätzliche Verfahrensschritte erfordert, da diese Zellen nicht durch dieselben Prozesse wie die Transistorzellen gebildet werden können, und zum andern die zur Realisierung eines MOS-Transistors mit einer gegebenen Stromfestigkeit erforderliche Fläche erhöht, wird in der
Die erste Anschlusszone, die bei einem n-leitenden MOS-Transistor n-dotiert ist, bildet zum einen die Drain-Zone des MOS-Transistors und zum anderen die Anode der durch die erste Anschlusszone und die die Source-Elektrode darstellende Anschlusselektrode gebildeten Schottky-Diode. Die zweite Anschlusszone stellt die Source-Zone des MOS-Transistors dar, und die Steuerelektrode bildet die Gate-Elektrode des MOS-Transistors. Die Source-Zone und die Body-Zone sind durch die Source-Elektrode kurzgeschlossen, um in bekannter Weise einen parasitären Bipolartransistor unwirksam zu machen, der durch die Drain-Zone, die Body-Zone und die Source-Zone gebildet ist und der sonst die maximale Sperrspannung des Transistors reduzieren würde.The first connection zone, which is n-doped in the case of an n-type MOS transistor, forms on the one hand the drain zone of the MOS transistor and on the other hand forms the anode of the Schottky barrier formed by the first connection zone and the connection electrode representing the source electrode. Diode. The second connection zone represents the source region of the MOS transistor, and the control electrode forms the gate electrode of the MOS transistor. The source region and the body region are short-circuited by the source electrode to deactivate, in a known manner, a parasitic bipolar transistor formed by the drain region, the body region and the source region, and which otherwise forms the parasitic bipolar transistor would reduce maximum reverse voltage of the transistor.
Problematisch an Schottky-Dioden ist ein hoher Leckstrom, der in der Nähe der Durchbruchspannung der Schottky-Dioden durch Avalanche-Multiplikation der Ladungsträger drastisch verstärkt wird. Bei der in der
Aus der
Weiterhin ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung mit einem MOS-Transistor und einem zu dem MOS-Transistor parallelen Schottky-Kontakt zur Verfügung zu stellen, welche platzsparend und einfach realisierbar ist und bei der hohe Leckströme des Schottky-Kontaktes vermieden sind.Object of the present invention is to provide a semiconductor device with a MOS transistor and a parallel to the MOS transistor Schottky contact available, which is space-saving and easy to implement and are avoided in the high leakage currents of the Schottky contact.
Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention in a semiconductor device of the type mentioned by the features stated in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist also zunächst wie bei der Halbleiteranordnung der
Wie bei der Halbleiteranordnung gemäß der
Wie bei der Halbleiteranordnung gemäß der
Alle Zellen sind somit bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung im Wesentlichen gleich aufgebaut und können weitgehend durch dieselben Verfahrensschritte hergestellt werden.All cells are thus constructed substantially the same in the semiconductor device according to the invention and can be produced largely by the same process steps.
Zudem verteilt sich der Strom durch die aus der Vielzahl der Schottky-Kontakte gebildeten Schottky-Diode gleichmäßiger auf die Halbleiteranordnung als bei Halbleiteranordnungen, bei denen nur vereinzelt Schottky-Kontakte bzw. Dioden in dem Zellenfeld des MOS-Transistors vorgesehen sind.In addition, the current through the Schottky diode formed from the plurality of Schottky contacts distributed evenly on the semiconductor device as in semiconductor devices in which only isolated Schottky contacts or diodes are provided in the cell array of the MOS transistor.
Wie bereits oben erwähnt wurde, haben die Bereiche mit Schottky-Kontakt eine höhere Durchbruchspannung als die Bereiche ohne Schottky-Kontakt. Weiterhin ist in den an Bereiche ohne Schottky-Kontakt angrenzenden Gebieten der ersten Anschlusszone ein höher dotiertes Gebiet des gleichen Leitungstyps wie die Body-Zone vorgesehen. Dieses höher dotierte Gebiet kann dabei auch als Kontakt für die Body-Zone dienen.As mentioned above, the regions of Schottky contact have a higher breakdown voltage than the regions without Schottky contact. Furthermore, in the regions of the first connection zone adjacent to regions without Schottky contact, a more highly doped region of the same conduction type as the body zone is provided. This higher doped area can also serve as a contact for the body zone.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist vorgesehen, dass sich die erste Anschlusszone, also vorzugsweise die Drain-Zone, abschnittsweise bis an die Vorderseite des Halbleiterkörpers erstreckt, wobei in Bereichen mit Schottky-Kontakt dieser an der Vorderseite des Halbleiterkörpers zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Zone neben dem Kontakt zwischen der Source-Elektrode und der Body-Zone bzw. dem Kontakt zwischen der Source-Elektrode und der Source-Zone gebildet ist.In one embodiment of the semiconductor device according to the invention, it is provided that the first connection zone, that is to say preferably the drain zone, extends in sections to the front side of the semiconductor body, wherein in regions with Schottky contact, this is at the front side of the semiconductor body between the source electrode and the drain zone is formed adjacent to the contact between the source electrode and the body zone or the contact between the source electrode and the source zone.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist vorgesehen, dass die Source-Elektrode abschnittsweise in einem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers verlaufenden zweiten Graben ausgebildet ist, wobei in Bereichen mit Schottky-Kontakt dieser in dem zweiten Graben zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Zone angeordnet ist. Bei dieser Halbleiteranordnung, bei welcher durch die zweiten Gräben Mesas gebildet sind, in denen sich die ersten Gräben, die Body-Zonen und die zweiten Anschlusszonen befinden, sind in Bereichen mit Schottky-Kontakt die Mesas vorzugsweise schmaler als in Bereichen ohne Schottky-Kontakt. Die Body-Zone und die Source-Zone sind an Seitenwänden des zweiten Grabens angeschlossen und durch die Source-Elektrode kontaktiert und kurzgeschlossen. Zur Verbesserung des beispielsweise p-Anschlusses der Body-Zone kann in die Seitenwände dieses Grabens eine p+-Implantation vorgenommen werden.In the case of the semiconductor arrangement according to the invention, it is provided that the source electrode is formed in sections in a second trench extending in the vertical direction of the semiconductor body, wherein in regions with Schottky contact it is arranged in the second trench between the source electrode and the drain zone , In this semiconductor device in which mesas are formed by the second trenches, in which the first trenches, the body zones and the second connection zones are located, in regions with Schottky contact, the mesas are preferably narrower than in regions without Schottky contact. The body zone and the source region are connected to sidewalls of the second trench and contacted by the source electrode and shorted. To improve the p-connection of the body zone, for example, a p + implantation can be made in the side walls of this trench.
Der Halbleiterkörper besteht beispielsweise aus Silizium; er kann aber auch aus einem anderen Halbleitermaterial aufgebaut sein, wie beispielsweise Siliziumcarbid, AIIIBV usw.The semiconductor body is made of silicon, for example; but it can also be constructed of a different semiconductor material, such as silicon carbide, AIIIBV, etc.
Die Dotierung der Drain-Zone im Anschluss an die Source-Elektrode zur Bildung des Schottky-Kontaktes beträgt vorzugsweise weniger als ein 1 × 1017 Ladungsträger cm–3. Die Schottky-Barrierenspannung in den Bereichen mit Schottky-Kontakt kann beispielsweise durch Ionenimplantation eingestellt werden.The doping of the drain zone following the source electrode to form the Schottky contact is preferably less than a 1 × 10 17 carrier cm -3 . The Schottky barrier voltage in the Schottky contact regions can be adjusted, for example, by ion implantation.
Als Metall der Source-Elektrode zur Bildung des Schottky-Kontakts eignen sich insbesondere Aluminium, Wolfram-, Tantal-, Titan-, Platin- oder Kobalt-Silizid. Die Source-Elektrode kann dabei vollständig aus den genannten Materialien bestehen oder auch mehrschichtig mit einer dünnen Schicht dieses Materials im Bereich des Schottky-Kontakts und einer darüber liegenden dickeren Schicht aus Aluminium oder einem hochdotierten, beispielsweise n-leitendem polykristallinem Silizium ausgebildet sein. Generell ist der erste Leitungstyp vorzugsweise n-leitend. Er kann aber auch p-leitend sein.In particular, aluminum, tungsten, tantalum, titanium, platinum or cobalt silicide are suitable as metal of the source electrode for forming the Schottky contact. The source electrode can consist entirely of the materials mentioned or can also be formed as a multilayer with a thin layer of this material in the region of the Schottky contact and an overlying thicker layer of aluminum or a highly doped, for example n-conducting polycrystalline silicon. In general, the first conductivity type is preferably n-type. He can also be p-conducting.
Eine zweite Anschlusselektrode, also insbesondere eine Drain-Elektrode, ist vorzugsweise auf der der ersten Anschlusselektrode gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers vorgesehen. Es ist aber auch möglich, diese zweite Anschlusselektrode auf der gleichen Seite des Halbleiterkörpers wie die erste Anschlusselektrode unterzubringen (Drain-Up-Konstruktion).A second connection electrode, that is to say in particular a drain electrode, is preferably provided on the side of the semiconductor body opposite the first connection electrode. However, it is also possible to accommodate this second connection electrode on the same side of the semiconductor body as the first connection electrode (drain-up construction).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
In den
In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, corresponding components are each provided with the same reference numerals.
Die Bereiche ohne Schottky-Kontakt, die in den
Die
Die Halbleiteranordnung hat einen Halbleiterkörper
Die stark n-dotierte Zone
Ausgehend von der Vorderseite
Die Source-Zone
Die Source-Zone
Die Source-Elektrode
Die an die Oberseite
Die Source-Elektrode
Bei Anlegen einer Ansteuerspannung zwischen der Gate-Elektrode
Bei Anlegen einer negativen Drain-Source-Spannung leitet der Schottky-Kontakt im Bereich
Durch den pn-Übergang zwischen der Body-Zone
Die Zellen der Halbleiteranordnung sind also im Wesentlichen gleichartig aufgebaut, wobei den Transistorzellen bzw. -bereichen in einem bestimmten Verhältnis (beispielsweise 1:1) ein Schottky-Kontakt bzw. das p+-lei-tende Gebiet
Bei der Ausführungsform gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
Die
Die Source-Elektrode
Ein mögliches Herstellungsverfahren für die Halbleiteranordnung gemäß den
Bei der Herstellung der Halbleiteranordnung gemäß dem Beispiel der
Bei einem Herstellungsverfahren für die Halbleiteranordnung des Ausführungsbeispiels der
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
Die
Die Ausbildung der Gate-Elektrode
Die
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wechseln Bereiche
Im Übrigen entspricht der Aufbau der Halbleiteranordnung dieses Ausführungsbeispiels hinsichtlich des Schottky-Kontakts im Bereich
Es ist auch möglich, die Strukturen gemäß dem Beispiel der
Der Randabschluss der Zellenfelder der obigen Ausführungsbeispiele ist von üblicher Art.The edge termination of the cell arrays of the above embodiments is of conventional type.
Die MOS-Transistoren der obigen Ausführungsbeispiele sind n-Kanal-MOSFETs. Die Erfindung kann in gleicher Weise auch auf p-Kanal-MOSFETs angewandt werden. Ebenso ist es möglich, für die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung anstelle eines MOS-Transistors auch einen IGBT auszubilden.The MOS transistors of the above embodiments are n-channel MOSFETs. The invention can equally be applied to p-channel MOSFETs. It is also possible to form an IGBT instead of a MOS transistor for the semiconductor device according to the invention.
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