DE19740195C2 - Halbleiterbauelement mit Metall-Halbleiterübergang mit niedrigem Sperrstrom - Google Patents

Halbleiterbauelement mit Metall-Halbleiterübergang mit niedrigem Sperrstrom

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Me­ tall-Halbleiterübergang und insbesondere eine Schottky-Diode mit geringem Verluststrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es z. B. aus US 5 081 509 A bekannt ist.
In IGBT-Power-Modulen werden als Freilaufdioden heute pn- Dioden eingesetzt. Diese Dioden sind niederohmig und weisen einen geringen Sperrstrom auf. Nachteilig sind die Schaltver­ luste, verursacht durch die hohe Minoritätsträgerkonzentrati­ on in der Driftstrecke. Bezüglich der Schaltverluste wären Schottky-Dioden ideal, da nur Majoritätsträger am Stromtrans­ port beteiligt sind; zusätzlich ist die kleinere Durchlaß­ spannung von nur 0,3 bis 0,4 V bei Schottky-Dioden gegenüber etwa 0,7 V bei pn-Dioden vorteilhaft für die statischen Ver­ luste. Nachteilig bei Schottky-Dioden ist jedoch der extrem hohe Durchlaßwiderstand, da es sich bei der Schottky-Diode um ein Majoritätsträger-Bauelement handelt. Ebenso ist der Sperrstrom einer Schottky-Diode sehr hoch. Der Sperrstrom wird durch das Absenken der Schottky-Barriere verursacht, das sogenannte Schottky-barrier-lowering: Die im Sperrfall am Me­ tall-Halbleiter-Übergang anliegende hohe Feldstärke reduziert die Schottky-Barriere, was eine entsprechende Sperrstromerhö­ hung zur Folge hat. Dies wird z. B. von S. M. Sze in "Physics of Semiconductor Devices", New York, 1991, S. 252 beschrie­ ben.
Diese für unipolare Bauelemente typische Situation, daß die über die Dotierung eingestellte Durchlaßspannung die Sperrfä­ higkeit eines Bauelements bestimmt, liegt ebenfalls bei MOS- FETs vor. In DE 43 09 764 wurde vorgeschlagen, zur Reduktion des Durchlaßwiderstandes eines MOS-FET im Bereich der Raumla­ dungszone höher dotierte Zonen von dem der Driftzone entge­ gengesetzten Leitungstyp anzuordnen. Zwischen diesen liegen Zonen, die den Leitungstyp der Innenzone aufweisen, aber eine höhere Dotierung haben.
Von B. J. Baliga et al. wird in "The Merged PIN Schottky (MPS) Rectifier: A High-Voltage, High Speed Power Diode" IEDM, 1987, Seite 658-661, die experimentelle Bestätigung der theoretisch vorhergesagten vorteilhaften Eigenschaften von MPS-Gleichrichtern als Leistungsschalter bei hoher Span­ nung und hoher Frequenz beschrieben, die mit Aluminium- Schottky-Barrieren versehen sind. Es wurde eine 6- bis 8-fach kleinere Sperrverzögerungsladungsspeicherung bei diesen Bau­ elementen gefunden, die bei einer 1,5- bis 3-fachen Durchlaß­ stromdichte im Vergleich zu einem PIN-Gleichrichter arbeiten.
Aus US 5 081 509 ist eine Halbleitergleichrichterdiode be­ kannt, die einen ersten Halbleiterbereich eines Leitfähig­ keitstyps umfaßt, wobei mehrere dritte Halbleiterbereiche des anderen Leitfähigkeitstyps auf einer Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs mit einem Abstand W angeordnet sind und eine Hauptelektrode auf der einen Hauptoberfläche in ohmschen Kontakt mit dem ersten Halbleiterbereich und durch eine Schottky-Barriere in Kontakt mit den dritten Halbleiterberei­ chen angeordnet ist. Zur Reduzierung des Leckstroms in Sper­ richtung wird die Bedingung 2wo < W ≦ 3D eingehalten, wobei "D" die Tiefe der dritten Halbleiterbereiche und "wo" die Breite einer Verarmungsschicht ist, die sich über dem ersten Halbleiterbereich aufgrund eines Diffusionspotentials des pn- Übergangs zwischen dem ersten Halbleiterbereich und dem drit­ ten Halbleiterbereich erstreckt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schottky-Diode mit einem Metall-Halbleiterübergang anzugeben, bei der sowohl der Sperrstrom als auch der Durchlaßwiderstand deutlich klei­ ner als bei Schottky-Dioden nach dem Stand der Technik ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement mit einem Me­ tall-Halbleiterübergang vorgeschlagen, das jeweils die Vor­ teile der pn- und der bekannten Schottky-Diode in sich ver­ eint. Dieses Halbleiterbauelement mit einem Metall- Halblei­ terübergang zwischen einem Metall, das als erste Elektrode dient, und einem Halbleiter von einem ersten Leitungstyp mit einer Driftstrecke, hat mehrere Zusatzzonen, die von einem zweiten Leitungstyp sind und die sich von der Oberfläche des Halbleiters ausgehend in die Driftstrecke erstrecken, wobei die Zahl der Fremdatome in den Zusatzzonen im wesentlichen gleich der Zahl der Fremdatome in den die Zusatzzonen umgebenden Zwischenzonen ist und die Fremdatome die einer Durchbruchladung des Halbleiters ent­ sprechende Zahl jeweils nicht übersteigen. (Für Si liegt die Durchbruchsladung bei unter 2 × 1012 cm-3.)
Die Zusatzzonen erstrecken sich durch die gesamte Driftstrec­ ke. Ihre laterale Ausdehnung bei dem erfindungsgemäßen Halb­ leiterbauelement beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform etwa 1 bis 10 µm, und die Zwischenzonen, die sich zwischen den Zusatzzonen befinden, haben ebenfalls eine laterale Ausdeh­ nung von etwa 1 bis 10 µm.
Die Zahl der Fremdatome ist bei bevorzugten Ausführungsformen in den Zusatzzonen und in den Zwischenzonen gleich. Dabei kann die Zahl der Fremdatome in den Zwischenzonen einen höhe­ ren Wert haben als in dem seitlich angrenzenden Halbleiter­ substrat. Das seitlich angrenzende Halbleitersubstrat bildet dabei den Randbereich des Halbleiterbauelements.
Die geometrische Form der Zusatzzonen kann scheibenförmig sein, und die Zusatzzonen können in die Zwischenzonen einge­ bettet sein. In einer anderen Ausführungsform des Halbleiter­ bauelements ist die Form der Zusatzzonen stabförmig.
Zusätzlich weisen bei einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterbauelements die Zusatzzonen jeweils eine Übergangs­ zone (guard ring) auf, die höher dotiert ist als der Rest der Zusatzzone, wobei die Übergangszone jeweils an dem metallsei­ tigen Ende der Zusatzzone angeordnet ist, so daß sie an die Oberfläche des Halbleiters anschließt. Diese Übergangszonen erhöhen die Durchbruchspannung des Bauelements noch weiter.
Dabei ist in einer Weiterentwicklung die Dotierung der Über­ gangszone so hoch gewählt, daß bei Polung des Halbleiterbau­ elements in Sperrichtung die beweglichen Ladungsträger nicht alle aus den Übergangszonen entfernt werden.
Durch die pnpn-Säulenstruktur kann bei einem erfindungsgemä­ ßen Halbleiterbauelement mit Metall-Halbleiterübergang die Driftstrecke so niederohmig wie bei einer pn-Diode einge­ stellt werden. Der Sperrstrom kann durch die Übergangszone, z. B. p+-Gebiete, die örtlich deckungsgleich mit den Zusatz­ zonen, z. B. "p-Säulen" angeordnet sind, etwa so niedrig wie bei einer pn-Diode eingestellt werden. Wenn der Rand des Me­ tall-Halbleiterkontaktes auf einer Übergangszone, z. B. ei­ nem p+-Gebiet angeordnet wird, wirkt das p+-Gebiet wie ein guard-Ring, d. h. der Anteil des Sperrstromes, der aufgrund überhöhter Feldstärke am Rand einer normalen Schottky-Diode auftritt, wird bei der vorgeschlagenen Struktur unterdrückt.
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis im folgenden un­ ter Angabe von weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert.
Fig. 1 zeigt ein Strukturbeispiel einer erfindungsgemäßen Schottky-Diode,
Fig. 2 zeigt ein weiteres Strukturbeispiel einer Schottky- Diode mit sogenannten guard-Ringen.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement 1 ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 umfaßt im wesentlichen einen Metallkontakt 2 auf einem Halbleiter 3. Das Metall 2 berührt in einem Fenster den Halbleiter 3, wobei das Fenster durch eine Isolatorschicht 7 definiert wird. Als Metall wird vorzugsweise PtSi oder TaSi verwendet, es können aber auch andere Materialien für die Kontaktierung des Bau­ elements 1 verwendet werden. Die Isolatorschicht 7 bedeckt den Halbleiter 3 über einen Großteil der Oberfläche 6 des Halbleiters. Nur dort, wo man einen Kontakt mit dem Halblei­ ter herstellen möchte, ist die Isolatorschicht 7 unterbro­ chen. Bei der Herstellung des Halbleiterbauelements 1 kann so in einem Herstellungsschritt zur Kontaktierung des Bauele­ ments auf die gesamte Oberfläche des Halbleiters mit der teilweise geöffneten Isolatorschicht 7 eine Metallschicht aufgebracht werden. Die Isolatorschicht 7 verhindert den Kon­ takt des Metalls 2 an den mit ihr bedeckten Bereichen und läßt den Kontakt in den Fenstern zu. Bei Si als Halbleiterma­ terial ist die Isolatorschicht 7 vorzugsweise eine SiO2- Schicht.
In Fig. 1 und 2 ist eine Schottky-Diode dargestellt, die ne­ ben dem Metallkontakt 2 zwei unterschiedlich dotierte Schich­ ten 4 und 5 aufweist. Der Metallkontakt 2 ist die erste Elek­ trode der Schottky-Diode. Die erste Schicht 4 ist schwach do­ tiert und hat in der dargestellten Ausführungsform den Lei­ tungstyp n-. Sie entspricht der Driftstrecke für die Ladungs­ träger. Die zweite Halbleiterschicht 5 schließt sich an die erste Halbleiterschicht 4 an und ist auf der (nicht gezeig­ ten) gegenüberliegenden Seite mit einer (nicht gezeigten) zweiten Elektrode verbunden, die vorzugsweise ein ohmscher Rückseitenkontakt ist. Die zweite Halbleiterschicht 5 der dargestellten Ausführungsform der Schottky-Diode ist deutlich höher dotiert als die erste Halbleiterschicht 4 und daher mit n+ bezeichnet.
Erfindungsgemäß werden in der ersten Halbleiterschicht 4 Zu­ satzzonen 8 erzeugt, die den dem Leitungstyp der ersten Halb­ leiterschicht entgegengesetzten Leitungstyp haben, d. h. hier den p-Leitungstyp. Die Zusatzzonen 8 können dabei unter­ schiedliche Formen haben, sie können schichtförmig sein, d. h. sich senkrecht zur Zeichenebene über eine größere Distanz gleichförmig fortsetzen, oder sie können in Stabform in die erste Halbleiterschicht 4 integriert sein. Der Querschnitt der stabförmigen Zusatzzonen 8 in Draufsicht auf das Halblei­ terbauelement 1, d. h. von der Metallisierung 2 aus zur Ge­ gen-Elektrode gesehen, kann quadratisch, rechteckig, hexago­ nal, kreisförmig etc. sein. Die Form des Querschnitts hängt u. a. von der Form des Kontaktloches ab.
Die Zusatzzonen 8 haben vorzugsweise eine Tiefenausdehnung in den Halbleiter 3, d. h. in die Driftzone von etwa 50 µm. Die laterale Ausdehnung der Zusatzzonen 8 liegt in der Größenord­ nung von ca. 1 bis 5 µm. Wenn die Zwischenzone 9 die gleiche Dotierung wie die Zusatzzone 8 hat, so muß ihre laterale Aus­ dehnung genauso groß wie die der Zusatzzone sein, d. h. eben­ falls ca. 1 µm betragen. Werden die Dotierungen der Zusatzzo­ nen 8 und der Zwischenzonen 9 unterschiedlich gewählt, so be­ stimmt sich aus der Bedingung der gleichen Flächenladung (im Querschnitt) der beiden Zonen eine entsprechend unter­ schiedliche laterale Ausdehnung der Zusatzzonen 8 und der Zwischenzonen 9.
Zwischen den Zusatzzonen 8 ergeben sich Zwischenzonen 9, de­ ren Form durch die der Zusatzzonen 8 bestimmt ist. Ihr Lei­ tungstyp ist wiederum der gleiche wie der der ersten Halblei­ terschicht 4, d. h. die Zwischenzonen 9 sind in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform in der ersten Halbleiterschicht 4 und in den Zwischenzonen 9 vom n-Leitungstyp. Vorzugsweise wird die Dotierung in der Zwischenzone 9 höher als in dem Randbereich der ersten Halbleiterschicht 4 des Bauelements gewählt, so daß die Zwischenzonen 9 n-dotiert statt wie die erste Halbleiterschicht 4 n--dotiert sind.
In Durchlaßrichtung, d. h. bei positiverem Potential an der Metallelektrode 2 als an der (nicht gezeigten) zweiten Elek­ trode oder Gegen-Elektrode fließt ein großer Durchlaßstrom. Der Durchlaßstrom fließt direkt über den Metall- Halbleiterübergang zwischen den Zwischenzonen 9 und der Me­ tallelektrode 2.
Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bau­ elements in Sperrichtung (das Metall 2 liegt auf einem nega­ tiveren Potential als die Gegen-Elektrode) sind in Fig. 1 zwei erste Linien 11 gestrichelt eingezeichnet. Die Linien 11 deuten die Ausdehnung der Raumladungszone in der Zusatzzone 8 und der Zwischenzone 9 bei einer kleinen Sperrspannung an der Schottky-Diode an.
Bei der mit der Linie 11 dargestellten Sperrspannung sind die beweglichen Ladungsträger teilweise aus der pnpn-Struktur ausgeräumt, so daß sich die gezeigte Raumladungszone ergibt. Wie man der Fig. 1 entnimmt, ist die Ausräumung der Zusatzzo­ nen 8 und Zwischenzonen 9 aber nicht vollständig.
Wird die Sperrspannung weiter erhöht, so werden weitere La­ dungsträger abgesaugt: die Raumladungszone dehnt sich aus. Wegen der geringen Ausdehnung der Zusatzzone 8 und der Zwi­ schenzone 9 (ihre laterale Ausdehnung liegt in der Größenord­ nung von 1 bis 10 µm) sind bereits bei relativ kleinen Sperr­ spannungen die Ladungsträger aus den Zusatzzonen 8 und den Zwischenzonen vollständig ausgeräumt. Dieser Fall ist mit ei­ ner zweiten gestrichelten Linie 12 dargestellt. Die Grenze der Raumladungszone auf der Seite zur Gegen-Elektrode hat sich etwas weiter in den Halbleiter 3 verschoben, auf der an­ deren Seite fällt sie nahezu mit dem Metall- Halbleiterübergang zusammen und ist daher in der Fig. 1 nicht dargestellt. Da die beweglichen Ladungsträger bei der der Li­ nie 12 ensprechenden relativ niedrigen Sperrspannung ausge­ räumt sind, sperrt die Schottky-Diode 1 bereits bei dieser geringen Spannung und einem entsprechend kleinen Sperrstrom. Die Sperrspannung selbst hängt praktisch nur noch von der Ausdehnung der Schicht 4 ab.
Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halb­ leiterbauelements 1 wird am metallseitigen Ende der Zusatzzo­ ne 9 eine Übergangszone 10 im Halbleitersubstrat 3 erzeugt. Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Übergangszonen 10 sind von einem anderen Leitungstyp als das sie umgebende Halbleitermaterial 4, haben also denselben Leitungstyp wie die Zusatzzone 8. Während die Zusatzzonen 8 p-dotiert sind, ist jedoch die Übergangszone 10 höher do­ tiert, d. h. in dem dargestellten Ausführungsbeispiel p+- dotiert. Durch diese Maßnahme wird die elektrische Feldstärke am Metall-Halbleiterübergang und damit auch der Sperrstrom dramatisch reduziert. Die maßgebliche Größe einer Anordnung nach Fig. 2 ist das Verhältnis der Tiefe b der Übergangszone 10 zum Abstand a der einzelnen Übergangszonen 10 voneinander. Die Feldstärke am Metall-Halbleiterkontakt läßt sich um so niedriger einstellen, je größer das Verhältnis b/a gewählt wird.
Durch die p+-Gebiete, die örtlich deckungsgleich mit den "p- Säulen" angeordnet sind, kann der Sperrstrom etwa so niedrig wie bei einer pn-Diode eingestellt werden. Darüber hinaus wirkt das p+-Gebiet wie ein guard-Ring, wenn der Rand des Me­ tall-Halbleiterkontaktes auf einem p+-Gebiet angeordnet wird. Dadurch wird die hohe Feldstärke an den Rändern des Kontaktloches abgesenkt und der Anteil des Sperrstromes, der aufgrund überhöhter Feldstärke am Rand einer normalen Schott­ ky-Diode auftritt, wird unterdrückt.
Bezugszeichenliste
1
Halbleiterbauelement
2
Metall
3
Halbleiter
4
erste Halbleiterschicht
5
zweite Halbleiterschicht
6
Oberfläche des Halbleiters
7
Isolatorschicht
8
Zusatzzone
9
Zwischenzone
10
Übergangszone
11
erste Linie
12
zweite Linie
aAbstand der Übergangszonen voneinander
bTiefe der Übergangszonen

Claims (8)

1. Halbleiterbauelement (1) mit einem Metall-Halbleiterüber­ gang zwischen einem Metall (2), das als erste Elektrode dient, und einem Halbleiter (3) von einem ersten Leitungstyp mit einer Driftstrecke (4), sowie mehreren Zusatzzonen (8), die von einem zweiten Leitungstyp sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusatzzonen (8) sich von der Oberfläche (6) des Halb­ leiters ausgehend in die gesamte Driftstrecke (4) im Halblei­ ter (3) erstrecken,
wobei die Zahl der Fremdatome in den Zusatzzonen (8) im we­ sentlichen gleich der Zahl der Fremdatome in den die Zusatz­ zonen (8) umgebenden Zwischenzonen (9) ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenzonen (9), die sich zwischen den Zusatzzonen (8) befinden, im wesentlichen die gleiche laterale Ausdehnung wie die Zusatzzonen (8) haben.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Ausdehnung der Zusatzzonen (8) und der Zwi­ schenzonen (9) etwa 1 bis 10 µm beträgt.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Fremdatome in den Zwischenzonen (9) einen höheren Wert hat als in einer ersten Halbleiterschicht (4).
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzzonen (8) scheibenförmig ausgebildet und in die Zwischenzonen (9) eingebettet sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzzonen (8) stabförmig ausgebildet und in die Zwischenzonen (9) eingebettet sind.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzzonen jeweils eine Übergangszone (10) (guard ring) umfassen, die höher dotiert ist als der Rest der Zu­ satzzone (8), wobei die Übergangszone (10) jeweils an dem me­ tallseitigen Ende der Zusatzzone (8) angeordnet ist, so daß sie an die Oberfläche (6) des Halbleiters anschließt.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Übergangszonen (10) so hoch ist, daß bei Polung des Halbleiterbauelements (1) in Sperrichtung nicht alle Ladungsträger aus den Übergangszonen (10) entfernt werden.
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