DE19745572A1 - Hochspannungs-Schottky-Diode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungs-Schottky-Diode hoher Leistung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, und insbesondere auf eine Hochspannungs-Schottky-Diode mit einer hohen Abschaltgeschwindigkeit.

Schottky-Dioden sind gut bekannt und verwenden normalerweise ein eine hohe Austrittsarbeit aufweisendes Material, das in Kontakt mit einer epitaxial aufgewachsenen N⁻-Siliziumober­ fläche angeordnet ist. Die Schottky-Diode hat gegenüber einer P/N-Grenzschichtdiode den Vorteil einer sehr kurzen Sperrver­ zögerungszeit, was ihre Verwendung in Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen ermöglicht. Bekannte Hochspannungs-Schottky-Di­ oden verwenden häufig eine Pp⁺-Schutzringdiffusion, die das Kontaktmetall umgibt und mit diesem in Berührung steht. Derartige bekannte Bauteile und Verfahren zu ihrer Herstellung sind typischerweise in dem US-Patent 4 899 199 gezeigt. Der Schutzring ruft bei niedrigeren Spannungen einen niedrigen Leckstrom und eine Charakteristik mit einem sehr scharfen Lawinendurchbruch hervor.

Derzeit bekannte Schottky-Dioden weisen üblicherweise eine Nennspannung von weniger als ungefähr 200 Volt auf. Wenn die Sperrspannung jedoch größer wird, so ist ein epitaxiales Silizium mit höherem spezifischen Widerstand erforderlich. Daher kann der Durchlaßstrom einen Ohm'schen Spannungsabfall in dem epitaxialen Silizium hervorrufen, der höher als ein Diodenspannungsabfall (ungefähr 0,7 Volt ist). Dies ruft dann eine Vorspannung der N⁻/P⁺-Grenzschicht in Durchlaßrichtung hervor, so daß diese Minoritätsträger im Durchlaßspannungs­ betrieb injiziert. Der Hauptvorteil eines Abschaltens mit hoher Geschwindigkeit geht dann verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hoch­ spannungs-Schottky-Diode der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Nennspannung von über ungefähr 400 Volt aufweist und dennoch die Vorteile von für niedrigere Nennspannungen be­ stimmten Schottky-Dioden hinsichtlich des Betriebs mit hoher Geschwindigkeit und mit einer Charakteristik mit einer scharfen Lawinendurchbruchsspannung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der erste P⁺-Schutzring absichtlich von dem Kontaktmetall durch einen kurzen Spalt in der N⁻-Epitaxial-Siliziumoberfläche getrennt, der bei nied­ riger Spannung im Sperrbetrieb vollständig verarmen kann. Ent­ sprechend injiziert der schwimmende P⁺-Ring im Durchlaßstrom­ betrieb keine Minoritätsträger, und er wird im Sperrbetrieb sehr schnell über die Verarmungsbereiche mit dem Kontaktmetall verbunden, um als Schutzring zu wirken, damit das elektrische Feld am Umfang des Bauteils aufgespreizt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist Aluminium als Schottky-Metall ausgewählt. Obwohl Aluminium nicht ein Metall mit hoher Austrittsarbeit ist, wie es normalerweise für Schottky-Dioden ausgewählt wird (üblicherweise Molybdän, Wolf­ ram, Platin, Palladium oder dergleichen), wurde festgestellt, daß Aluminium sehr gut bei einer Hochspannungs-Schottky-Diode (oberhalb von ungefähr 400 Volt) arbeitet und die Herstellung dieser Diode vereinfacht.

Als weiteres Merkmal der Erfindung wird eine Trägerlebens­ dauerverkürzung für den Hauptteil des Silizium-Halbleiter­ plättchens verwendet. Die Trägerlebensdauer-Verkürzung kann durch eine Schwermetalldiffusion, beispielsweise Gold, erreicht werden, oder die Trägerlebensdauerverkürzung kann durch eine geeignete Strahlungsbehandlung erreicht werden.

Als ein weiteres Merkmal der Erfindung kann eine Aufspreiz-Wider­ standsschicht, die die Anoden- und Kathoden-Bereiche mit­ einander verbindet, verwendet werden, um ein gleichförmigeres und zuverlässigeres Sperrspannungs-Betriebsverhalten zu schaffen. Der Aufspreizwiderstand kann beispielsweise irgendein geeignetes, einen hohen spezifischen Widerstand aufweisendes Material, wie z. B. amorphes Silizium (∼1800 Å) sein.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein mit Abstand angeordneter P⁺-Schutzring in dem US-Patent 5 418 185 gezeigt ist. Dieses Bauteil ist jedoch ein Bauteil mit lateraler Leitfähigkeit, das auf einem Substrat vom P-Leitungstyp aufgebaut ist. Der Schutz­ ring dieses Patentes wird dazu verwendet, die Auswirkung eines parasitären PNP-Transistors zu verringern, der durch den P⁺-Schutzring, das epitaxiale Silizium von N-Leitungstyp und das Substrat vom P-Leitungstyp gebildet ist. Im Gegensatz hierzu ist die Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bauteil mit vertikaler Leitung ohne eine Hauptteilstruktur vom P-Leitungstyp.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeich­ nungen näher ersichtlich.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer bekannten Schottky-Diode mit einem P⁺-Schutzring,

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich dem der Fig. 1 einer Schottky-Diode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein bekanntes Schottky-Dioden-Halbleiterplätt­ chen im Querschnitt gezeigt. Die Topologie kann irgendeine gewünschte Form aufweisen, und sie kann beispielsweise ein quadratisches Halbleiterplättchen oder dergleichen sein. Das Halbleiterbauteil oder Halbleiterplättchen nach Fig. 1 ist ähnlich dem nach dem US-Patent 4 899 199 und besteht aus einem dünnen N⁺-Hauptteil 10 aus monokristallinem Silizium. Eine dünne Schicht aus N⁻-Silizium 11 ist epitaxial über dem N⁺-Hauptteil 10 aufgewachsen.

Unter Verwendung üblicher photolithographischer Verarbeitungs­ schritte wird eine Oxydschicht über der N⁻-Schicht 11 zum Aufwachsen gebracht, und ein ringförmiges Fenster, von dem eine Kante 12 verbleibt, wird geöffnet, und ein P⁺-Schutzring 13 wird in die N⁻-Schicht 11 eindiffundiert. Die über dem N⁻-Siliziumbereich und einem Teil des P⁺-Ringes liegende Oxydschicht wird dann entfernt. Ein Molybdän-Schottky­ kontakt-Metall 14 wird dann über der freiliegenden N⁻-Oberfläche und dem inneren Teil des P⁺-Ringes abgeschieden. Dieser Kontakt wird seinerseits von einem Kontaktmaterial 15 bedeckt, das eine leichte Verbindung mit dem Molybdän 14 ermöglicht und als Abdichtung wirkt, um das Molybdän an dem Oxyd zu halten. An der Unterseite wird ein Kontakt 16 in üblicher Weise mit der unteren Oberfläche des N⁺-Bereiches 10 angebracht, um das Bauteil zu vervollständigen.

Das Bauteil nach Fig. 1 wird in üblicher Weise für Schottky-Dioden verwendet, die für eine Sperrspannung von bis zu unge­ fähr 200 Volt geeignet sind.

Diese Bauteile weisen einen niedrigen Sperr-Leckstrom bei einer Vorspannung in Sperrichtung und eine Charakteristik mit einer scharfen Durchbruchspannung auf. Sie sind weiterhin extrem schnell, was ihre Verwendung bei hoher Frequenz ermöglicht. Wenn jedoch die Nennsperrspannung des Bauteils vergrößert wird, so muß der spezifische Widerstand des Bereiches 11 vergrößert werden. Daher kann der Durchlaßstrom durch diesen vergrößerten Widerstand 20 dazu führen, daß der Spannungsabfall längs des effektiven Widerstandes 20 des Bauteils auf einen Wert oberhalb eines Diodenspannungsabfalls (ungefähr 0,7 Volt) ansteigt. Wenn dies eintritt, so injiziert der P⁺-Bereich 13 während des leitfähigen Zustandes mit einem Durchlaßstrom Löcher in den Bereich 11. Diese Minoritätsträger rufen dann eine Vergrößerung der Sperrverzögerungsladung und eine wesentliche Vergrößerung der Abschaltzeit hervor, wodurch die Vorteile der Schottky-Diode zunichte gemacht werden.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Bauteils gemäß der vor­ liegenden Erfindung, bei dem Teile, die ähnlich denen nach Fig. 1 sind, die gleichen Bezugsziffern aufweisen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der erste P⁺-Ring 30 (der dem Ring 13 in Fig. 1 entspricht) nach außen hin mit Abstand von der äußeren Begrenzung des Schottky-Übergangs-Metallkontaktes 31 angeordnet (der dem Kontakt 14 in Fig. 1 entspricht) . Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht das Schottky-Übergangs-Metall 31 jedoch aus Aluminium, was im Gegensatz zu einem der üblichen, eine hohe Austrittsarbeit aufweisenden Materialien steht, die normalerweise für ein Schottky-Bauteil verwendet werden.

Das Bauteil nach Fig. 2 weist weiterhin einen zweiten P⁺-Ring 32 auf, der den Ring 30 umgibt und mit Abstand von diesem angeordnet ist. Zusätzliche Ringe können für Bauteile mit höheren Spannungen hinzugefügt werden.

Um die Struktur nach Fig. 2 zu bilden, weist eine Oxydschicht 40A eine Vielzahl von darin ausgebildeten ringförmigen Fenstern 41 und 42 auf, und die P⁺-Ringe 30 bzw. 32 werden durch diese Fenster hindurch eindiffundiert. Ein in der Mitte liegendes Fenster 42 wird dann in der Oxydschicht 40A ausgebildet, und eine Aluminiumschicht wird dann über der gesamten oberen Ober­ fläche und in Kontakt mit der in der Mitte liegenden epitaxi­ alen N⁻-Schicht 11 und den P⁺-Ringen 30 und 32 abgeschieden. Es sei bemerkt, daß das Aluminium sehr gut an dem Oxyd anhaftet. Das Aluminium wird dann geätzt, um ringförmige Kontakte 50 und 51 und den zentralen Sperrschichtkontakt 31 zu bilden.

Als ein kritischer Teil des Verfahrens ist der erste P⁺-Ring 30 mit Abstand von dem äußeren Umfang 31 an dem N⁻-Bereich, jedoch nahe an diesem angeordnet. Dieser Spalt ist als der Spalt "X" in Fig. 2 gezeigt, und er ist so bemessen, daß er bei einer relativ niedrigen momentanen Sperrspannung vollständig verarmt wird. Typischerweise ist für eine Nennsperrspannung von ungefähr 600 Volt die Dicke des N⁻-Bereiches 11 etwa 60 µm, und er besteht aus einem Material mit einem spezifischen Wider­ stand von 19,0 Ohm-cm. Der Spalt "X" weist eine Größe von ungefähr 10 µm auf.

Die neuartige Struktur arbeitet mit einer hohen Sperrspannung, beispielsweise oberhalb von 400 Volt. Im Durchlaßbetrieb ist der Ring 30 nicht mit dem Kontakt 31 verbunden, und er injiziert keine Löcher, selbst wenn ein Durchlaßspannungsabfall in dem Silizium von mehr als 0,7 Volt auftritt. Im Sperrspannungsbe­ trieb verarmt der Spalt "X" jedoch sehr schnell, und der Ring 30 ist mit dem Kontakt 31 verbunden und bewirkt ein Aufspreizen des elektrischen Feldes am Rand des Kontaktes 31, bevor das Feld einen hohen Wert erreicht hat. Es sei darauf hingewiesen, daß der Aluminiumkontakt 31 weiterhin die Oxydschicht 40A überlappt und weiterhin als eine Feldplatte wirkt. Die Verwendung von Aluminium als Sperrschichtmetall vereinfacht eine vereinfachte Verarbeitung, und das Aluminium haftet gut an dem Oxyd.

Als weiteres Merkmal der Erfindung können Schwermetall-Träger­ lebensdauer-Abkürzungsatome, beispielsweise Gold, in den Siliziumhauptteil 10 eindiffundiert werden. Auch eine Elek­ tronenbestrahlung kann verwendet werden.

Eine amorphe Siliziumschicht 50 mit einer Dicke von ungefähr 1800 Å kann als Aufspreizwiderstand hinzugefügt werden, damit sich ein zuverlässigeres Betriebsverhalten im Sperrspannungs­ betrieb ergibt.

Claims (8)

1. Hochspannungs-Schottky-Diode mit einem Halbleiterplättchen aus monokristallinem Silizium mit einem N⁺-Hauptteil und einer N⁻-Epitaxialsiliziumschicht über dem N⁺-Hauptteil, mit einer einen Schottky-Übergang bildenden Kontaktschicht, die über der oberen Oberfläche der N⁻-Epitaxialsiliziumschicht und in Kontakt mit dieser angeordnet ist, und mit einem P⁺-Diffu­ sions-Schutzring, der in die Oberfläche der Epitaxialschicht D eindiffundiert ist und den Umfang der den Schottky-Übergang bildenden Schicht umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang des P⁺-Diffusions­ schutzringes (30) mit vorgegebenem Abstand von dem Außenumfang der den Schottky-Übergang bildenden Kontaktschicht (31) angeord­ net und von dieser durch einen lateralen Spalt (X) getrennt ist, daß eine zweite Kontaktschicht an der Unterseite des N⁺-Haupt­ teils angeordnet ist, um ein Bauteil mit vertikaler Leitung zu bilden, und daß der laterale Spalt (X) ausreichend klein ist, damit das Silizium in dem Spalt vollständig verarmt wird, wenn die Sperrspannung zwischen der zweiten Kontaktschicht und der den Schottky-Übergang bildenden Kontaktschicht einen kleinen Bruchteil der vollen Nenn-Sperrspannung erreicht, die das Bauteil aushalten soll.

2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Nenn-Sperrspannung von mehr als 400 Volt aufweist.

3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schottky-Übergang bildende Metall Aluminium ist.

4. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxydschicht (40A) über der Oberfläche des Halbleiterplättchens ausgebildet ist, daß die Oxydschicht ein in der Mitte liegendes Fenster (42), das die Oberfläche der N⁻-Schicht freilegt, und ein ringförmiges Fenster (40) aufweist, das zumindest einen Teil der Oberfläche der P⁺-Diffusion freilegt, und daß das den Schottky-Übergang bildende Metall mit der N⁻-Schicht und der P⁺-Diffusion über das in der Mitte liegende Fenster (42) und das ringförmige Fenster (40) in Kontakt steht und zumindest teilweise die Ränder des die Fenster umgebenden Oxyds überlappt und an diesem anhaftet.

5. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerlebensdauer in dem N⁺-Hauptteil verringert ist.

6. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerlebensdauer abkürzende Schwermetallatome in dem Silizium verteilt sind.

7. Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufspreizwiderstand (50) vorge­ sehen ist, der über der Anode liegt und diese mit dem Kathoden­ bereich verbindet.

8. Diode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufspreizwiderstand (50) aus einer amorphen Siliziumschicht besteht.