DE19753673B4

DE19753673B4 - Schottky-Diode

Info

Publication number: DE19753673B4
Application number: DE19753673A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Miyasaka
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2017-12-04
Also published as: US6177712B1; JP3123452B2; JPH10173205A; DE19753673A1

Abstract

Schottky-Diode, umfassend:
ein Substrat (12, 14) mit einer ersten Schicht (14) eines ersten Leitungstyps geringer Konzentration und einer zweiten Schicht (12) des ersten Leitungstyps hoher Konzentration, und
eine in der ersten Schicht (14) ausgebildete Schutzringzone (16) mit einer Diffusionszone eines zweiten Leitungstyps,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenstörstellenkonzentration der Diffusionszone der Schutzringzone (16) 5 × 10¹⁷/cm³ nicht übersteigt,
die erste Schicht eine Dicke (w) aufweist, die der Beziehung w ≥ x + 0,55·(ρ·V)^1/2 genügt, wobei x die Dicke der Diffusionszone der Schutzringzone (16) ist, ρ der spezifische Widerstand der ersten Schicht (14) ist und V die maximal angelegte Spannung ist derart, daß verhindert wird, daß eine beim Anlegen der maximalen Sperrspannung in der ersten Schicht auftretende Verarmungsschicht die zweite Schicht (12) erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schottky-Dioden und insbesondere Schottky-Dioden mit geringer Kapazität, die sich für den Einsatz in Schaltstromversorgungsteilen eignen und bei denen erst bei einer relativ hohen elektrischen Leistung eine Zerstörung eintritt.
Schnelle Dioden und Schottky-Dioden sind als Halbleiter-Bauelemente mit Gleichrichtungsfunktion bekannt, die für Schaltstromversorgungsteile (zum Beispiel Schaltnetzteile) und ähnliches verwendet werden. Bei Schaltstromversorgungsteilen mit hohem Wandlerwirkungsgrad wird eine Eingangswechselspannung gleichgerichtet, die Gleichspannung mittels einer Ein-Aus-Schaltanordnung in eine Wechselspannung hoher Frequenz umgesetzt, diese mittels eines Transformators transformiert und die Ausgangsspannung des Transformators dann wieder zu einer Gleichspannung gleichgerichtet. Bei solch einem Schaltstromversorgungsteil werden Schottky-Dioden, die gute Schalteigenschaften bei hoher Schaltgeschwindigkeit aufweisen, für die Gleichrichtung der Wechselspannung hoher Frequenz eingesetzt. Die wesentlichen Faktoren, die den Wirkungsgrad eines Schaltstromversorgungsteiles bestimmen, umfassen den Verlust der Schaltanordnung und den Durchlaßspannungsabfall an der Diode, die zur Gleichrichtung der hochfrequenten Wechselspannung eingesetzt wird. Insbesondere dieser Durchlaßspannungsabfall der Diode soll zu Erzielung eines ausreichend hohen Wirkungsgrades des Stromversorgungsteiles möglichst gering sein.
Schottky-Dioden sind jedoch verglichen mit pn-Sperrschichtdioden auf einen relativ kleinen Nennspannungsbereich beschränkt. Deshalb muß eine Schottky-Dioden enthaltende Schaltung so ausgelegt werden, daß die Dioden keiner die Nennspannung übersteigenden Sperrspannung ausgesetzt werden. Dabei müssen mögliche Stoßspannungen oder Spannungsspitzen berücksichtigt werden. Daher werden als Schottky-Dioden in der Regel solche eingesetzt, deren Durchbruchsspannung (Stehspannung) um eine Größenordnung größer als die für die jeweilige Schaltung an sich erforderliche ist. Wenn eine Spannung, etwa eine Stoßspannung, die oberhalb der Nennspannung liegt, an eine Schottky-Diode angelegt wird, tritt in der Schottky-Diode ein Lawinendurchbruch auf, was unter Umständen selbst bei geringen Stromwerten zu einer die Zerstörung des Bauelements bewirkenden elektrischen Leistung (hier als Zerstörungsleistung bezeichnet) führen kann. Damit die Gefahr eines Lawinendurchbruchs bei Schottky-Dioden minimal bleibt, werden Schottky-Dioden mit hoher Steh- oder Durchbruchsspannung eingesetzt. Je größer jedoch die Durchbruchsspannung ist, desto größer ist der Durchlaßspannungsabfall, was dem Ziel eines hohen Wirkungsgrads bei Stromversorgungsteilen zuwiderläuft.

Eine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufgebaute Schottky-Diode ist aus der EP 0 093 866 A bekannt.

Aus der JP 54-087483 A (1979) ist es bekannt, bei einer Schottky-Diode zur Verbesserung der Sperrstoßspannungsfestigkeit die Dicke einer epitaxial auf dem Substrat aufgebrachten Schicht gleichen Leitungstyps wie das Substrat um midestens 3 μm größer zu machen als die Ausdehnung der Verarmungsschicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schottky-Diode mit hoher Steh- oder Durchbruchsspannung zu schaffen, bei der selbst bei hohen Strömen aufgrund eines Lawinendurchbruchs keine zur Zerstörung führende elektrische Leistung auftritt, die aber zugleich eine ausreichend niedrige Durchlaßspannung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schottky-Diode gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs.

Bei einer in der beanspruchten Weise aufgebauten Schottky-Diode ist u.a. die Oberflächenstörstellenkonzentration einer Diffusionsschicht bzw. -zone, die eine Schutzringzone bildet, bis auf 5 × 10¹⁷/cm³ reduziert, was eine Größenordnung niedriger ist als bei bekannten Dioden. Hierdurch wird die Neigung bzw. der Gradient der Störstellenkonzentration der Diffusionszone weniger steil. Als Ergebnis erstreckt sich die Verarmungsschicht oder -zone über eine größere Länge in die Diffusionszone, womit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Lawinendurchbruchs in der Diffusionszone verringert wird. Damit wird bewirkt, daß ein Durchbruch, der bei bekannten Schottky-Dioden hauptsächlich in der Diffusionszone auftrat, in der Schicht des Substrats auftritt, die eine geringe Konzentration an Störstellen des ersten Leitungstyps aufweist. Die resultierende Schottky-Diode weist eine hohe Zerstörungsleistung auf und bricht weniger leicht durch.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer graphischen Darstellung die Verteilung der Störstellenkonzentration längs einem Vertikalquerschnitt von Schottky-Dioden,
2 einen Vertikalschnitt des Aufbaus einer Schottky-Diode mit einem Schutzringaufbau,
3 die Ergebnisse von Tests bezüglich der Zerstörungsleistung,
4 in einer graphischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der Durchbruchsspannung und dem spezifischen Widerstand der N^–-Schicht, und
5(A) bis 5(C) jeweils in einer graphischen Darstellung die Ergebnisse von Tests bezüglich der Zerstörungsleistung, wobei 5(A) die Zerstörungsleistung über der Dicke von N^–-Schichten von Schottky-Dioden mit einer Durchbruchsspannung von 30 Volt zeigt, 5(B) die Zerstörungsleistung über der Dicke von N^–-Schichten von Schottky-Dioden mit einer Durchbruchsspannung von 40 Volt zeigt und 5(C) die Zerstörungsleistung über der Dicke von N^–-Schichten von Schottky-Dioden mit einer Durchbruchsspannung von 60 Volt zeigt.
2 ist eine Vertikalschnittansicht einer Schottky-Diode mit einem Schutzringaufbau. Die Schottky-Diode 10 umfaßt als eine erste Schicht mit einer ersten Störstellenkonzentration eine N⁺-Schicht 12, als eine zweite Schicht mit einer zweiten Störstellenkonzentration, die geringer als die erste Störstellenkonzentration ist, eine N^–-Schicht 14, eine Schutzringzone 16, einen Oxidfilm 18 und ein Barrierenmetall 20. Bei der Schicht 12 handelt es sich um ein Halbleitersubstrat aus Silizium, auf das die Schicht 14 epitaxial aufgewachsen ist. Die Dicke der Schicht 14 ist in 2 mit w bezeichnet. Die Schutzringzone 16 ist eine P-leitende Zone, die durch Implantation und Diffusion von Borionen in die Oberfläche der Schicht 14 mittels Ionenimplantation gebildet wird. Die Tiefe dieser Schutzring- oder Diffusionszone 16 ist in 2 mit x bezeichnet. Der Oxidfilm 18 ist auf der Schicht 14 so ausgebildet, daß er über dem äußeren Oberflächenbereich der Schutzringzone 16 liegt bzw. diesen bedeckt. Das Barrierenmetall 20 ist aus Molybdän als ein Metallkontakt auf der Schicht 14 so ausgebildet, daß es mit dem inneren Oberflächenbereich der Schutzringzone 16 in Kontakt steht. Im folgenden werden die Störstellenkonzentrationen der in dieser Weise aufgebauten Schottky-Diode 10, insbesondere diejenige der Schutzringzone 16, im einzelnen beschrieben.
1 zeigt graphisch die Verteilung der Störstellenkonzentration längs der Vertikalrichtung des Querschnitts einiger Schottky-Dioden-Muster. Auf der Abszisse in 1 ist der Abstand von der Oberfläche der Schutzringzone 16, gemessen in Tiefenrichtung der Dioden (also in 2 von oben nach unten) aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Störstellenkonzentration aufgetragen. Der linke, der mittlere und der rechte Teil der Graphik entsprechen somit der P⁺-Schicht der Schutzringzone 16, der N^–-Schicht 14 bzw. der N⁺-Schicht 12. Es sind die Störstellenkonzentrationen von drei Schottky-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchsspannungen zusammen mit solchen von als Vergleich dienenden bekannten Dioden aufgetragen.
Die Kurve C₃₀ in 1 zeigt den Verlauf der Störstellenkonzentration einer Schottky-Diode mit einer Durchbruchsspannung von 30 Volt. Die Kurve C₄₀ zeigt den Verlauf der Störstellenkonzentration einer Schottky-Diode mit einer Durchbruchsspannung von 40 Volt. Die Kurve C₆₀ zeigt den Verlauf der Störstellenkonzentration einer Schottky-Diode mit einer Durchbruchsspannung von 60 Volt. Die in die Kurven C₃₀, C₄₀ bzw. C₆₀ übergehenden gestrichelten Kurven zeigen den Verlauf der Störstellenkonzentration bekannter Schottky-Dioden mit den entsprechenden Durchbruchsspannungen.
Wie aus 1 hervorgeht, zeichnen sich die Schottky-Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß die Schutzringzone 16 an ihrer Oberfläche eine niedrige Störstellenkonzentration aufweist und die Tiefe x der die Schutzringzone 16 bildenden Diffusionszone kleiner als die der bekannten Schottky-Dioden ist. Obwohl die Störstellenkonzentration an der Oberfläche der Schutzringzone 16 von Diode zu Diode mehr oder weniger variiert, liegt sie bei den Schottky-Dioden der 30 bis 60 Volt-Klassen, die in 1 gezeigt sind, generell nicht über 5 × 10¹⁷/cm³ und insbesondere im Bereich von 2 bis 3 × 10¹⁷/cm³. Vergleicht man die Diffusionsprofile der Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung mit denen der bekannten Dioden, zeigt sich daß der Gradient der Störstellenkonzentration bei den Dioden der vorliegenden Erfindung geringer ist als bei den bekannten Dioden. Daher breitet sich eine beim Anlegen einer Sperrspannung in der Diffusionszone einer Diode gemäß der vorliegenden Erfindung auftretende Verarmungsschicht über eine größere Länge aus, was die Wahrscheinlichkeit eines Lawinendurchbruchs verringert. Die Tiefe x der Diffusionszone der Schutzringzone 16 beträgt generell nicht mehr als 1,5 μm und im Fall der in 1 gezeigten Dioden der 30 bis 60 Volt-Klassen etwa 1 μm. Diese Tiefe x der Diffusionszone kann auf ein Minimum reduziert werden, solange eine ausreichende Durchbruchs spannung gewährleistet ist. Der Grund dafür ist, daß die Dicke w der N^–-Schicht 14 größer werden muß, wenn die Tiefe der Diffusionszone größer wird. Die Vergrößerung der Dicke w bewirkt eine Erhöhung des Widerstands im Siliziumkristall, was seinerseits zu einer Vergrößerung des Durchlaßspannungsabfalls führt.
3 zeigt in einer graphischen Darstellung das Ergebnis eines Tests bezüglich der Zerstörungsleistung. In dieser Graphik bezeichnet die Marke x die Zerstörungsleistung einer bekannten Schottky-Diode mit einer Nennspannung von 40 V, während • die Zerstörungsleistung einer Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung, ebenfalls mit einer Nennspannung von 40 V, darstellt. Gemäß dem Test beträgt die Zerstörungsleistung der bekannten Schottky-Diode etwa 0,6 kW, während diejenige der Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung 1,75 kW beträgt. Damit ist die Zerstörungsleistung der Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung etwa dreimal so groß, wie die einer bekannten Diode gleicher Nennspannung.
4 zeigt in einer graphischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der Durchbruchsspannung und dem spezifischen Widerstand ρ der N^–-Schicht. Dabei ist der spezifische Widerstand ρ auf der Abszisse aufgetragen, während die Durchbruchsspannung V_BR auf der Ordinate aufgetragen ist. Die gestrichelte Kurve entspricht einer bekannten Schottky-Diode, während die ausgezogene Kurve eine Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentiert. Wenn der spezifische Widerstand beispielsweise 1 Ω·cm beträgt, liegt die Durchbruchsspannung der bekannten Schottky-Diode bei etwa 55 Volt, während diejenige einer Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung auf etwa 80 Volt erhöht ist. Dieser Vergleich zeigt, daß zur Erzielung derselben Durchbruchsspannung der spezifische Widerstand bei einer Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner ist als derjenige der bekannten Diode. Somit kann der Durchlaßspannungsabfall VF gemäß der vorliegenden Erfindung verringert werden. Die Durchbruchsspannungscharakteristik einer Schottky-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung wird damit aus den folgenden Gründen verbessert. Während sich die Verarmungsschichten von der Grenze zwischen der Diffusionszone der Schutzringzone 16 und der N^–-Schicht 14 in beiden Richtungen ausdehnen, erstreckt sich die Verarmungsschicht, die in der Diffusionszone gebildet wird, über eine größere Länge als bei der bekannten Diode, und zwar wegen der sanfteren Neigung der Störstellenkonzentration der Diffusionszone. Daher tritt der Lawinendurchbruch bei einer höheren Spannung auf. Somit tritt der Durchbruch, der bei der bekannten Diode hauptsächlich in der Diffusionszone auftrat, bei einer Diode gemäß der vorliegenden Erfindung in der N^–-Schicht 14 auf. Dabei muß die Dicke bzw. Tiefe w der N^–-Schicht 14 groß genug sein, damit die sich in die Schicht 14 ausdehnende Verarmungszone bei Anlegen einer Sperrspannung nicht die N⁺-Schicht 12 erreicht und berührt.
Die 5(A) bis 5(C) zeigen in graphischer Form Ergebnisse von Tests, die an drei verschiedenen Arten von Schottky-Dioden mit jeweils anderer Durchbruchsspannung bezüglich der Abhängigkeit der Zerstörungsleistung von der Dicke w der N^–-Schicht 14 mit der Tiefe x der Diffusionszone der Schutzringzone 16 als Parameter durchgeführt wurden. Der spezifische Widerstand ρ der N^–-Schicht 14 beträgt bei allen Dioden 1 Ω·cm.
In allen drei Fällen der 5(A) bis 5(C) gilt die ausgezogene Kurve für eine Tiefe x von 1 μm und die gestrichelte Kurve für eine Tiefe x von 1,5 μm. Die 5(A) bis 5(C) zeigen die Testergebnisse von Schottky-Dioden einer Durchbruchsspannung von 30 Volt, 40 Volt bzw. 60 Volt. Alle dargestellten Kurven zeigen einen Sättigungspunkt, bis zu dem die Zerstörungsleistung der einzelnen Diode zunimmt. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Dicke w der N^–-Schicht 14 größer wenigstens als die diesem Sättigungspunkt entsprechende Dicke, so daß die Schottky-Diode eine erforderliche Durchbruchsspannungscharakteristik gewährleistet. So benötigt beispielsweise die N^–-Schicht 14 der Schottky-Diode mit einer Durchbruchsspannung von 30 Volt eine minimale Dicke w1 von etwa 3,5 μm für x = 1 μm und eine minimale Dicke w2 von etwa 4 μm für x = 1,5 μm. Dieser Zusammenhang läßt sich durch folgende Formel ausdrücken, in der V die maximale angelegte Spannung ist: w ≥ x + 0,55·(ρ·V)1/2 (1)
Die rechte Seite dieses Ausdrucks stellt die Länge der Verarmungsschicht dar, die sich in die N^–-Schicht 14 erstreckt, wenn eine Sperrspannung der Größe V angelegt wird. Somit wird die Dicke w der N^–-Schicht 14 so eingestellt, daß sie gleich oder größer ist als der Wert der rechten Seite des Ausdrucks (1), welcher von der Tiefe x der Diffusionszone der Schutzringzone, dem spezifischen Widerstand ρ der N^–-Schicht 14 und der maximalen angelegten Spannung V bestimmt wird. Dadurch, daß die Tiefe x der Diffusionszone der Schutzringzone, die Dicke w der N^–-Schicht 14 und der spezifische Widerstand ρ so gewählt werden, daß der obige Ausdruck erfüllt wird, erhält man Schottky-Dioden mit einem hohen Wert der Zerstörungsleistung und geringerer Durchbruchswahrscheinlichkeit.
Wie oben beschrieben, ist eine Schottky-Diode mit Schutzringaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, daß die Oberflächenstörstellenkonzentration und die Tiefe der Diffusionszone der Schutzringzone gegenüber denjenigen bekannter Dioden verringert sind. Als Folge davon tritt ein Durchbruch, der bei bekannten Dioden hauptsächlich in der Schutzringzone auftrat, in einer anderen Zone des Bauelements auf, wodurch die Gefahr eines Durchbruchs der Diode verringert wird. Außerdem wird die Dicke der N^–-Schicht 14 auf einen minimalen Wert eingestellt, welcher von der erforderlichen Durchbruchsspannung abhängt, so daß der Durchlaßspannungsabfall verringert werden kann. Auf diese Weise trägt die Verwendung einer Schottky-Diode mit verringertem Durchlaßspannungsabfall und vergrößerter Durchbruchsfestigkeit als Gleichrichterelement zu einer größeren Freiheit beim Entwurf einer Schaltung mit einem Gleichrichterelement für ein Schaltstromversorgungsteil bei, und der Wirkungsgrad des Stromversorgungsteils kann erhöht werden.

Claims

Schottky-Diode, umfassend: ein Substrat (12, 14) mit einer ersten Schicht (14) eines ersten Leitungstyps geringer Konzentration und einer zweiten Schicht (12) des ersten Leitungstyps hoher Konzentration, und eine in der ersten Schicht (14) ausgebildete Schutzringzone (16) mit einer Diffusionszone eines zweiten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstörstellenkonzentration der Diffusionszone der Schutzringzone (16) 5 × 10¹⁷/cm³ nicht übersteigt, die erste Schicht eine Dicke (w) aufweist, die der Beziehung w ≥ x + 0,55·(ρ·V)^1/2 genügt, wobei x die Dicke der Diffusionszone der Schutzringzone (16) ist, ρ der spezifische Widerstand der ersten Schicht (14) ist und V die maximal angelegte Spannung ist derart, daß verhindert wird, daß eine beim Anlegen der maximalen Sperrspannung in der ersten Schicht auftretende Verarmungsschicht die zweite Schicht (12) erreicht.
Schottky-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Diffusionszone der Schutzringzone (16) nicht größer als 1,5 μm ist.