TW201106486A - Semiconductor arrangement comprising a Schottky diode - Google Patents
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Description
201106486 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種渠溝接合屏障肖特基二極體
材PN —極體，當作限幅（削波）元件（Klammerelement， 英.clipping element)(以下簡稱 TJBS-基材-PN )，它們 特別適合用在汽車發電機系統中當作貫穿電壓約2〇伏特的 Z·功率二極體。 【先前技術】 在現代汽車中’利用構件作越來越多的功能。因此， 對電功率的需求越來越高。為了涵蓋這種需求，故汽車中 的發電機系統的效率須提高，迄今一般使用pN二極體當作 汽車發電機系統中的Z二極體，此PN二極體的優點一方面 為低的阻斷電流（反向電流）（Sperrstr0m ,英：reverse current)，另方面為高強固性。其主要缺點為高的流通電壓 (FluBspannung) UF。在室溫時，電流在uF=〇 7伏特時 才開始流通。在正常的操作條件下，例4 培/每平方公分’ UF上升到超過1伏特 例如電流密度500安· (特，這點表示效率有 不可忽視的損失。 【發明内容】
201106486 0 · 6伏特。此外，肖特其-植 符基一極體备作主體載體構件時，在作 迅速切換操作時很有利。作讫人& i > … 男⑴仁说今仍未有使用肖特基二極體 在車發電機系統中者。其^ 丹席因係可歸究於肖特基二極體 的一些主要缺點： 1) 相較於PN二極體來，阻斷電流較高， 2) 阻斷電流受阻斷電壓的影響很大，及 3) 強度性（Robustheit，英：__以〇差，特別是在 兩溫時 已有人主張將肖特基二極體改善，以下敘述二個例 hJBS(Junction_Barrier_Sch〇uky_Di〇de)iwSKun〇ri 等人的 “Low leakage current Sch〇ttky barHer di〇de” ，
Proceeding of 1992 Interational Symposium of Semiconductors & ICs，東京，80〜85頁所發表者e 如圖1所示，該JBS由一 n+基材⑴、一 n_磊晶屋 (Epischicht) (2)、至少二個擴散到該n_磊晶層（2)中的p_ 盆地（3) (Wanne)、以及在晶片的前側和後側上的金屬層 (4)(5)構成。由電學觀點看，該JBS係為一種pN二極體〔p_ 盆地（3)(當作陽極）與n_磊晶層（2)(當作陰極）之間的PN 過渡區〕與一種肖特基二極體〔在金屬層（4)(當作陽極） 與η-蠢晶層（2)(當作陰極）之間的寅特基屏障〕的組合， 在晶片（5)後側上的金屬層當作陰極電極，在晶片（4)前側上 的金屬層當作陽極電極，具有接到ρ_盆地（3)的電阻接點， 同時當作接到該η-磊晶層（2)的肖特基接點。 由於肖特基二極體的流通電壓比起ΡΝ二極體小，故電 流沿流通方向只流過肖特基二極體的範圍，因此在JBS的 4 201106486 場合：沿流通方向供電流所流過的有效面積（每個面積單 位）逖小於在傳統平面（Planar)肖特基二極體的場合。 沿阻斷方向（反向）（Sperrichtung，英irse direction)，該空間充電區域隨著電壓上升而擴張，且當電 壓小於該JBS的貫穿電壓時，這些空間電荷區域在相鄰的 P-盆地（3)之間的範圍的令央碰在__起。因此，肖特基效應 (它和高阻斷電流有關）被部分地遮蔽，且阻斷電流減少， 這種遮蔽效應與以下的構造參數很有關係：Xjp (p_擴散的 侵入深度）、Wn(p_盆地之間的距離）、&Wp(p·盆地的 寬度）。 一般用於製作一 jBS的p_盆地的先前技術係為卜植入 (p-Implantation)，然後作p_擴散。藉著沿χ方向作側向 擴散（其深度與沿y方向的垂直擴散相當）。在該二度空 間的呈示（Darstellung，英：iUustrati〇n )中產生圓柱形的 P-盆地（沿著垂直於X_y_平面的2方向為無限長度），該圓 枉形的半徑相當於侵入深度Xjp。由於空間電荷區域沿徑向 擴張，這種p-盆地的形狀顯示對於宵特基效應並無很有效 的遮蔽作用。這種遮蔽作用不可能藉著較深的p_擴散而加 強，因為側面擴散也會同時對應地變更寬。將p-盆地之間 的距離變小並非好的解決之道’因為如此雖然能加強遮蔽 作用，但可供電流沿流通方向流過的有效面積也這一步減 少了。 ’ 一種將一 JBS的肖特基效應的遮蔽作用〔屏障降低效 果（Barrier Llowering Effect )〕改善的另類選擇係為DE 〇s 10 2004 053 761 所提議的 TJBS。 201106486 圖2中說明适種TJBS(渠溝接合屏障肖特基二極體）， 匕具有充填的渠溝，如圖2所示，這種TJBS變更例由一側 n+基材（1)、一 η-磊晶層（2)、至少二個蝕刻到n_磊晶層（2) 中的渠溝（6) ( Grabe，英：Trench)、和在晶片（5)前側上的 金屬層（當作陽極）以及晶片後側上的金屬層（當作陰 極）構成。s亥渠溝用p-摻雜的矽或多晶矽（7)充滿，特別是 金屬層（4)也可由數個不同之上下重疊的金屬層構成。為了 一目瞭然起見，這點在圖2中未示，從電學觀點，該TJBS 係為一種PN二極體〔在用p —摻雜的矽（7)充填的渠溝（當 作陽極）與η-磊晶層（2)(當作陰極）之間的pN_過渡區〕 與忒肖特基二極體〔金屬層（4)(當作陽極與心磊晶層（2)(當 作陰極））的組合。 一如在傳統JBS的場合，電流只沿流通方向流經肖特 基二極體。然而由於缺少側向p擴散，故供電流沿流通方 向流過的有效面積，在TJBS的場合遠大於在傳統的JBS， 空間電荷區域沿阻斷方向隨著電壓增加而擴張，且當電壓 小於TJBS的貫穿電壓時，就在相鄰渠溝（6)之間的區域的中 央碰在一起，一如在jBS的場合，與高阻斷電流有關的肖 特基效應被遮蔽且該阻斷電流減少。如遮蔽效應與構造參 數：Dt (渠溝的深度）、Wm (渠溝之間的距離）、以及 Wt (渠溝寬度）有關，見圖2。 在TJBS的場合’要製造渠溝，可省卻卜擴散作用。如 此不會像在傳統的TBS有側向？_擴散的負面作用。在渠溝 (6)之間的中範圍（Mesa_Bereich)中，空間電荷區域的一種 宛如一度空間似（quasi-one-dimensional )的擴散作用可直 6 201106486 接造成’因為渠溝的深i Dt( Μ對肖特基效應的遮蔽作 用的-種重要的構造參數）+再和可讓電流沿流通方向流 過的有效面積有關聯。因此’肖特基效應的遮蔽作用遠1 具有擴散的盆地的JBS更有效。 —另方面，TJBS由於其限幅（削波）功能（Klammerfunku⑽， 英：clipping function)而有高強固性。pN二極體的貫穿電 壓BV-pn設計成使該BV_pn*於肖特基二極體的貫穿電壓 BV_m基，且貫穿作用在渠溝的底發生。在貫穿操作時，阻 斷電流只流過PN過渡區。因此流通方向與阻斷方向在幾何 上是分開的，因此該TJBS具有和一 PN二極體相似的強固 性。此外，在TJBS的場合，不會發生“熱，，電荷載體注入 (Injektion)氧化物中的情事，因為M〇s構造不存在。因 此該TJBS很適合用於汽車發電機系統中當作z二極體。 依本發明要提供具有低阻斷電流、小的流通電壓、高 強固性以及程序實施較簡單的肖特基二極體，它們適合用 於汽車發電機系統中當作Z-功率電晶體。 本發明的肖特二極體以有利的方式提供一種TJBS，它 具有整合的基材-PN- —極體當作限幅元件（Klammerelement)， 且在下文簡稱“TJBS-基材_pn。渠溝一直達到n+基材為 止’且用p摻雜的石夕或多晶石夕（p〇lySilizium )充滿。此TJBS-基材-PN的貫穿電壓係由p盆地（該用p摻雜的矽或多晶矽 充滿的渠溝）和η基材之間的p n _過渡區決定。在此，該p 盆地的設計係選設成使該基材-ΡΝ-二極體的貫穿電壓BV-基*f 小於該肖特基二極體的貫穿電壓BV_i(特基以及該磊晶-PN-二 極體的貫穿電壓BV_a晶。相較於傳統jBS ,其特別有利的^ L *-» 201106486 點為：由於肖特基效應有效地遮蔽，故發生的阻斷電流小 得多’且可讓電流沿流通方向流過的有效面積大得多。相 較於TJBS ’由於具有較小的導電路電阻（Bahnwiderstand) 的較薄的磊晶層之故，故流通電壓較小。 在以下詳細說明可能的變更例的構造及功能。 【實施方式】 如圖3所示’本發明的TJBS-基材-PN由一 n+基材（1)、 一 η-蟲晶層（2)、至少二個渠溝（6) (Trench)〔它們被蝕刻 出來’ 一直穿過蟲晶到n+基材為止，其寬度wt、深度 Dt、相鄰渠溝（6)的距離為Wm〕以及在晶片前側上的金 屬層（當作陽極電極）和晶片（5)後側上的金屬層（當作陰 極）構成，渠溝（6)用p-摻雜的矽或多晶矽（8)充填，且渠溝 的上範圍中有附加的薄p +層（9)以和金屬層（4)作電阻式接 觸。如有必要，該薄P+層（9)也可略縮入，使它們完全位在 該P摻雜的層（8)中。 從電學的觀點，該TJBS-基材-PN係一種肖特基二極體 〔在金屬層（4)(當作陽極）與η-磊晶層（2)(當作陰極）之 間的宵特基屏障〕和一和磊晶_ρΝ_二極體〔在該ρ_盆地（8) (用Ρ摻雜的矽或多晶矽充填的渠溝，當作陽極）與該η_ 磊晶層（2)(當作陰極）之間的ΡΝ過渡區〕和一種基材_ΡΝ 二極體〔在ρ-盆地（8)(當作陽極）與η+基材（1)(當作陰極） 之間的ΡΝ過渡區〕的組合，此Ρ-盆地（8)設計成使該TJBS_ 基材PN的貫穿電壓由該ρ-盆地（8)與n +基材（1)之間的pN 過渡區決定。 8 201106486 在此TJBS基材PN的場合，如果該TJBS基材_pN的 抓通電壓遠小於基材_PN二極體的流通電壓，則電流沿流通 方向（一如在傳統JBS或TJBS)只流經肖特基二極體。在 肖特基一極體 '蟲晶-PN-二極體與基材pN二極體的場合， 沿阻斷方向形成空間電荷區域。這些空間電荷區域隨著電 壓升尚而在该η遙晶層（2)中及在ρ·盆地（8)中擴張，且當電 壓小於該TJBS基材ΡΝ的貫穿電壓時，就在相鄰的渠溝（6) 之間的範圍的中央碰在一起。如此，該與高阻斷流有關的 肖特基效應（屏障降低效應）被遮蔽，且阻斷電流減小， 這種遮蔽效應主要由該磊晶PN構造決定，且大大地受以構 k參數.Dt (渠溝深度）、Wm (渠溝之間的距離）以及該 P-盆地（8)與η-磊晶層（2)的摻雜濃度影響，見圖3。 此TJBS-基材-ΡΝ具有與TJBS相似的肖特基效率的遮 蔽作用，且由於該限幅功能，而有高強度性。此基材_pN二 極體的貫穿電壓Βν·ρη設計成使BV pn小於肖特基二極體的 貫穿電壓BV_a特基以及磊晶-PN二極體的貫穿電壓，且 貫穿作用在p-盆地（8)與n+基材（1)之間的基材·ρν過渡區上 發生。在貫穿操作時’阻斷電流就只流經該基材ΡΝ過渡區， 因此s亥TJBS-基材-ΡΝ具有和ΡΝ二極體相似的強固性。 相較於TJBS ’本發明的TJBS-基材-PN顯示較低的流 通電壓’因為該TJBS-基材-PN的貫穿電壓並非由p-盆地與 蟲晶層（圖2 )之間的PN過渡區決定，而係由p_盆地與 基材之間的基材-PN-過渡區決定（見圖3) »在p區域與n+ 基材之間該η-磊晶層之在TJBS的場合存在的部分省略掉。 因此在TJBS基材PN的場合，要達到相同的貫穿電流，冗 £ *1^ > 9 201106486 需之整個η-磊晶厚度——以及導電路電阻就較小β這點對 於沿流通方向的操作很有利（流通電壓較小）。 相較於TJBS來，該TJBS-基材-ΡΝ的另一優點為程序 進行要簡單得多。TJBS-基材_ΡΝ的一種可能的製造方法包 含以下步驟： η +基材當作起始材料 --η-蟲晶 將渠溝用Ρ摻雜矽或多晶矽充滿 在渠溝的範圍中將薄ρ +層擴散 在前側及後側上鍍覆金屬 在該TJBS基材ΡΝ的場合’在晶片的邊緣範圍還可有 附加的構造以減少邊緣場的厚度，這點舉例而纟，可為：
:摻雜的p_範圍、場板（Feldplatt〇或與先前 相似構造。 J 中選用的半導體和摻雜方 摻雜而選用Ρ摻雜，及不 本發明的解決方案的說明書 式皆為舉例，也可不用所述之η 用所述之ρ摻雜而選用η摻雜。 L圖式簡單說明】 干；1及圖2顯示二種習知的半導體裝置，其令圖", “種JBS(接合屏障肖特基二極體）
(M .¾ ,* Λ 圖 2 顯不一種 TJBS 忐溝接合屏障肖特基二極體）， HI 1总丄 匕具有充填的渠溝： 圖3係本發明的TJBS_基材 的準溝。 N的實施例，它具有充填 10 201106486 【主要元件符號說明】 (1) n+基材 (2) π -蟲晶層 (3) p -盆地 (4) 晶片前側的金屬層 (5) 晶片後側的金屬層 (6) 渠溝 (7) P-掺雜的矽或多晶矽 (8) p摻雜的層（p-盆地） (9) 薄P +層 Dt 渠溝的深度 Wm 渠溝之間的距離 Wt 渠 BV.pn PN二極體的貫穿電壓 B V_肖特基 肖特基二極體的貫穿電
Claims (1)
- 201106486 七、申請專利範圍： 1. 一種半導體裝置，具有一渠溝接合屏障肖特基二極體 (TJBS)，該TJBS有整合的基材PN二極體（TJBS_SubpN)， 當作限幅元件’該二極體特別是貫穿電壓在2〇伏特範圍的 Z二極體，其中該TJBS-Sub-PN至少由肖特基二極體、蟲 晶-PN-二極體、及基材-PN-二極體的組合構成，且該基材 •PN_ 一極體的貫穿電壓（BV-pn )比該肖特基二極體的貫穿 電壓（BV·3特*)以及該磊晶-PN-二極體的貫穿電壓（Bv“）更 低。 2. 如申§青專利範圍第1項之半導體裝置，其中. 該半導體裝置適用於汽車發電機系統。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中： s玄半導體裝置可在貫穿時以高電流操作。 4. 如申請專利範圍第丨或第2項之半導體裝置，其中： 在該η+基材（1)上有一個η_磊晶層（2)且當作陰極區 域，且在二度空間的顯示中至少有二個渠溝(8)被蝕刻出來 穿過該η-磊晶層（2)—直蝕刻到η+基材為止，且該渠溝 用Ρ摻雜的石夕或多晶石夕填滿且當作該基材-ΡΝ二極體的陽極 區域，且在渠溝（1)的上範圍中有薄的ρ+層（9)。 5·如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中： 在4 s曰片的後側上設有一金屬層（5)且當作陰極電極， 且在該晶片的前側上設有一金屬層(4)，且有接到ρ :阻式接點以及具有接到4晶層⑺的肖特基接點，且該 金屬層（4)當作陽極電極。 12 1 ‘如申凊專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中： 201106486 該渠溝⑹姓刻成穿透n•遙晶層（2) 一直到& 止，且呈長方形、u形或可預設的形狀。 7·如申請專利範圍第i或第2項之半導體裝置， 該鍍覆金屬由二個或數個上下互相重疊的金屬層次構 成0 8. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中： 該渠溝（6)設置成條帶狀或呈島狀排列，其中這些島設 計成圓形、六角形或其他可預設的形狀。 9. 如申s青專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中： 該肖特基接點由錄或石夕化鎳形成。 10. —種製造如前述申請專利範圍任一項的一種半導體 裝置的方法’其特徵在’至少作以下的步驟： --選出n +基材當作起始材料 ---作η-蟲晶 --餘刻出渠溝直到η+基材為止 --將渠溝用Ρ-摻雜的矽或多晶矽填滿 --在渠溝的上範圍中將薄的ρ +層擴散 --在前側及後側上鍍覆金屬 八、圖式： (如次頁） 13
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