TWI540738B - 半導體裝置（二） - Google Patents
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Description
本發明關於渠溝接合屏障肖特基二極體(TJBS-Diode,Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode)的變更型，它們在以下簡稱TJBS。TJBS提供構件設計較大的自由空間，且特別適合用於汽車發電機系統中當作具有約20伏特的貫穿(Durchbruch,英：break down)電壓的Z-功率二極體。
在現代汽車中，利用電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)(Sperrstrom,英：reverse current)，另方面為高強固性。其主要缺點為流通(導通)電壓(Flußspannung)UF偏高。在室溫時，電流在UF=0.7伏特時才開始流通。在正常的操作條件下，例如電流密度500安培/每平方公分，UF上升到超過1伏特，這點表示效率有不可忽視的損失。
理論上，可用肖特基二極體(Schottky-Diode)當作另一選擇。肖特基二極體的流通電壓遠比PN二極體低得多，例如在高電流密度500安培/每平方公分時為0.5伏特~0.6伏特。此外，肖特基二極體當作主體載體構件時，在作迅速切換操作時很有利。但迄今仍未有使用肖特基二極體在汽
車發電機系統中者。其原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)強固性(Robustheit,英：robustness)差，特別是在高溫時。
已有人主張將肖特基二極體改善，以下敘述二個例子。JBS(Junction-Barrier-Schottky-Diode)，例如S.Kunori等人的“Low leakage current Schottky barrier diode”,Proceeding of 1992 International Symposium on Power Semiconductors & ICs,東京,80-85頁所發表者。
如圖1所示，該JBS由一n+基材(1)、一n磊晶層(Epischicht)(2)、至少二個擴散(diffundiert,英：diffused)到該n-磊晶層(2)中的p-井(p-槽)(3)(Wanne,英：trough或well)、以及在晶片的前側(4)和後側(5)上的金屬層構成，由電學觀點看，該JBS係為一種PN二極體[p-井(3)(當作陽極)與n-磊晶層(2)(當作陰極)之間的PN過渡區]與一種肖特二極體[在金屬層(4)(當作陽極)與n-磊晶層(2)(當作陰極)之間的肖特基屏障]的組合，在晶片後側上的金屬層(5)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p-井(3)的電阻接點，同時當作接到該n-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PN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
場合，沿流通方向供電流所流過的有效面積(每個面積單位)遠小於在傳統平面(Planar)肖特基二極體的場合。
沿阻斷方向(反向)(Sperrichtung,英：reverse 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-井(3)之間的範圍的中央碰在一起。因此，肖特基效應(它和高阻斷電流有關)被部分地遮蔽，且阻斷電流減小。這種遮蔽效應與以下的構造參數很有關係：p-擴散的侵入深度Xjp、p-井之間的距離Wn、及p-井的寬度Wp；且也和p-井(3)及n-磊晶層(2)的摻雜濃度有關。見圖1。
用於製作一JBS的p-井的先前技術係為p-植入(p-Implantation)。然後作p-擴散，藉著沿x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：illustration)中產生圓柱形的p-井(沿著垂直於x-y-平面的z方向為無限長度)，該圓柱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-井的形狀顯示對於肖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-井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進一步減少了。
一種將一JBS的肖特基效應的遮蔽作用[屏障降低效果(Barrier Lowering Effect)]改善的另類選擇係為DEOS 10 2004 053 761所提議的TJBS圖2中說明這種TJBS(渠溝接
合屏障肖特基二極體)，它具有充填的渠溝，如圖2所示，這種TJBS變更例由一個n+基材(1)、一n-磊晶層(2)、至少二個蝕刻到n-磊晶層(2)中的渠溝(6)(Grab,英：Trench)、和在晶片前側上的金屬層(4)(它被當作陽極)以及晶片後側上的金屬層(4)(當作陰極)構成，該渠溝用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p-摻雜的渠溝(7)(當作陽極)與n-磊晶層(2)(當作陰極)之間的PN-過渡區]與該肖特基二極體[金屬層(4)(當作陽極)與磊晶層(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，故可供電流沿流通方向流過的有效面積，在TJBS的場合係遠大於在傳統的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。此遮蔽效應與構造參數：渠溝的深度Dt、渠溝之間的距離Wm、以及渠溝寬度Wt有關，以及與p-井(7)與n-磊晶層(2)的摻雜濃度有關，見圖2。
在TJBS的場合，要製造渠溝，可省却p-擴散作用。如此不會像在傳統的JBS有側向p-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
如一度空間似的(quasi-ein-dimensional)擴張作用可直接造成，因為渠溝的深度Dt(它是對肖特基效應的遮蔽作用的一種重要的構造參數)不再和供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比具有擴散的p-井的JBS更有效。
另方面，TJBS由於其限幅(削波)功能(Klammerfunktion,英：clipping function)而有高強固性。PN二極體的貫穿電壓BV-肖特基，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MOS構造並不存在。因此該TJBS很適合用於汽車發電機系統中當作Z二極體。
本發明的目的在提供具有高強固性及可變通的設計可能性的肖特基二極體，以滿足對於貫穿電壓、漏電流(Leckstrom)及流通導壓的不同要求，它們適合用於汽車發電機系統中當作Z功率二極體。
所述之肖特基二極體實施例的優點為：在p-井中的摻雜濃度的組合可各依需要而有變通性地定義。因此，相較於那些在p-井中具單一摻雜濃度的TJBS來，在構件的設計上有可變通性。這種優點係利用一種TJBS(渠溝接合屏障肖特基二極體)達成，其p-井由上往下分劃成數個範圍並充填
以不同摻雜濃度(Dotierkonzentration,英：doping concentration)的p摻雜矽或多晶矽。
一般，當TJBS具有高摻雜的P-井時，當渠溝度量尺寸相同時(Wm,Wt,Dt,見圖2)，屏障降低效應的遮蔽作用較佳，因為空間電荷區域主要在低摻雜的n-磊晶層中擴展且存在一個驟變(abrupt)的PN過渡區。這點在n-磊晶層的摻雜濃度相同的場合，由於對屏障降低效應的遮蔽作用較佳，故會使漏電流較小。但另方面其缺點為流通電壓較高，如果該n-磊晶層的摻雜濃度要依照對於貫穿電壓的要求而設計，則該n-磊晶層在一驟然的PN過渡區中須作低摻雜。其結果為具有較低漏電流的優點及較高流通電壓的缺點。
另方面，當p-井作低摻雜，可預料到對屏障降低效應的遮蔽效果會較差，因為空間電荷區域會在低摻雜的n-磊晶層中及在低摻雜的p-井中擴展，如此PN過渡區係為漸進式者。此外，當對貫穿電壓的要求相同時，該n-磊晶層相較於驟變的PN過渡區來，須作較高摻雜。其優點為流通電壓較低，缺點為漏電流較高。
依德公開案DE-OS 10 2004 053 761迄今對於TJBS的概念，在p-井中有一致的摻雜濃度，因此在構件設計時的餘地空間(Spielraum)就受限。但如果將p-井從上往下劃分成不同的範圍，並使用摻雜濃度之有變通性的組合，換言之，不採用在p-井中的摻雜濃度一致的做法，則可獲得另
外的設計的自由性，且這些構件可各依對於貫穿電壓、漏電流與流通電壓的要求而定有變通性地設計。
本發明第一實施例示於圖3中，此TJBS變更例由一n+基材(1)、一n-磊晶層(2)、至少二個渠溝(Grab,英：Trench)(6)[它們被蝕刻到磊晶層(2)中，其寬度Wt，深度Dt，相鄰渠溝(6)之間的距離為Wm]、以及在晶片的前側上的金屬層(4)(當作陽極電極)和晶片的後側上的金屬層(5)(當作陰極電極)構成。渠溝(6)的上範圍用高摻雜的p-矽或p+多晶矽(8)充填，而其下範圍用低摻雜的p矽或p多晶矽(9)充填。
此TJBS變更例係為一種肖特基二極體[它具有一肖特基屏障，位在該當作陽極的金屬層(4)和該當作陰極的n-磊晶層(2)之間]與一個PN上極體[它具有一PN過渡區，位在該當陽極的p-井以及當作陰極的n-磊晶層之間]的組合構成。與圖2所示的TJBS不同者，此處該p-井從上往下劃分成二個範圍，具高摻雜的p+-Si或p+多晶矽(8)的渠溝(6)的上範圍與該n-磊晶層(2)一齊構成一驟變的PN過渡區，具低摻雜的p矽或p-多晶矽(9)的下範圍與n-磊晶層(2)一齊構成一漸進的PN過渡區。利用渠溝下範圍中的漸進PN過渡區，可作較高的貫穿電壓及/或較低的流通電壓，而渠溝的上範圍中的驟變的PN過渡區則可對屏障降低效應作充分的遮蔽作用，且因此提供小的漏電流。
圖4顯示本發明的第二實施例，它與圖3所示的TJBS的不同在於：此外只有該渠溝(6)的上範圍用低摻雜的p-矽
或p-多晶矽(9)充填，而其下範圍用高摻雜的p+矽或p+多晶矽(8)充填，具低摻雜的p-矽或p-多晶矽(9)的上範圍與該n-磊晶層(2)共同造成一漸進的PN過渡區，而具有高摻雜的p+矽或p+多晶矽(8)的渠溝(6)的下範圍與n-磊晶層(2)一齊構成一驟變的PN過渡區。利用渠溝的下範圍中的驟變的PN過渡區，可達到將屏障降低效應作良好的遮蔽的效果，且因此漏電流小。利用渠溝上範圍中的漸進PN過渡區，導通電流上升程度比起一下子陡進的驟變的PN過渡區來更小。此變更例對於具較低貫穿電壓的TJBS很有利。
本發明的其他實施例示於圖5及圖6，在圖5的第三實施例，p-井從上往下分劃成三個範圍：中範圍用高摻雜的p+矽或p+多晶矽(8)充填，上範圍與下範圍用低摻雜的p-矽或p多晶矽(9)充填。
在圖6中的第四實施例，p-井同樣從上往下劃分成三個範圍，中範圍用低摻雜的p-矽或p-多晶矽(9)充填，而上範圍與下範圍用高摻雜的p+矽或p+多晶矽(8)充填。相較於圖3及圖4所示的TJBS變更例，這二個實施例在構件設計上有更多自由空間，且在程序實施時，增加的成本則微不足道。在此發明的TJBS變更例中，如果此發明的TJBS變更例的流通電壓遠小於PN二極體的流通電壓，則該電流一如在傳統JBS或TJBS，只沿流通方向流經該肖特基二極體。
此發明的TJBS變更例，由於有限幅功能，一如圖2所示的TJBS，具有高強固性，此PN二極體的貫穿電壓BV-pn設計成使該BV-pn小於肖特基二極體的貫穿電壓BV-肖特基，
且貫穿作用在p-井的下範圍與n-磊晶層(2)之間的PN過渡區發明。因此，本發明的TJBS變更例具有如PN二極體的相似的強固性，相較於那些p-井中具有一致之摻雜濃度的TJBS，本發明的TJBS變更例由於從上往下將p-井劃分成數個範圍，因此有利地提供構件設計較大的自由空間。因此各種需求(例如對於貫穿電壓、及流通電壓的需求)可較佳地及更有變通性地滿足。
本發明的TJBS變更例的一種可能的製造方法包括以下步驟：
--n+基材(當作起始材料)。
--n-磊晶。
--蝕刻出渠溝，直到n+基材為止。
--將渠溝用p摻雜矽或多晶矽充滿。
--在渠溝的範圍中將薄p+層擴散。
--在前側及後側上鍍覆金屬。
在本發明的TJBS變更例的場合，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，這點舉例而言，可為：低摻雜的p-範圍、場板(Feldplatte)或與先前技術相關的相似構造。
(1)‧‧‧n+基材
(2)‧‧‧n-磊晶層
(3)‧‧‧p-井
(4)‧‧‧晶片前側的金屬層
(5)‧‧‧晶片後側的金屬層
(6)‧‧‧渠溝
(7)‧‧‧p摻雜的矽或多晶矽
(8)‧‧‧p-矽或p+多晶矽(高摻雜)
(9)‧‧‧p-矽或p+多晶矽(低摻雜)
BV-pn‧‧‧PN二極體的貫穿電壓
BV-肖特基‧‧‧肖特基二極體的貫穿電壓
Wt‧‧‧渠溝寬度
Wm‧‧‧渠溝之間的距離
Dt‧‧‧渠溝的深度
圖1係JBS(接合屏障肖特基二極體)。
圖2係TJBS(渠溝接合屏障肖特基二極體)，具有充填的渠溝。
圖3係本發明的一TJBS的變更例(實施例1)。
圖4係本發明的一TJBS的變更例(實施例2)。
圖5係本發明的一TJBS的變更例(實施例3)。
圖6係本發明的一TJBS的變更例(實施例4)。
(1)‧‧‧n+基材
(2)‧‧‧n-磊晶層
(4)‧‧‧晶片前側的金屬層
(5)‧‧‧晶片後側的金屬層
(6)‧‧‧渠溝
(8)‧‧‧p-矽或p+多晶矽(高摻雜)
(9)‧‧‧p-矽或p+多晶矽(低摻雜)
Wt‧‧‧渠溝寬度
Wm‧‧‧渠溝之間的距離
Dt‧‧‧渠溝的深度
Claims (10)
- 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具有整合的PN二極體，當作限幅元件，其中該TJBS由肖特基二極體與PN二極體的組合構成，該PN二極體的貫穿電壓(BV-pn)比該肖特基二極體的貫穿電壓(BV-肖特基)小，其中一晶片在n+基材(1)上有一n-磊晶層(2)，且當作陰極區域，且在二度空間的呈示中至少有二個蝕刻到該n-磊晶層(2)中的渠溝(6)，且渠溝(6)用p-摻雜的矽或多晶矽充滿且形成該PN二極體的陰極區域，其特徵在：該渠溝(6)由上往下劃分成至少三個範圍，且利用不同摻雜濃度的p-摻雜矽或多晶矽充填，其中一個上範圍或用高摻雜的p-矽或p-多晶矽充填，一個中範圍或用低摻雜的p-矽或p-多晶矽充填，一個下範圍或用高摻雜的p+-矽或p+-多晶矽充填。
- 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中：該PN二極體的貫穿電壓(BV-pn)在20伏特範圍，且該半導體裝置設計成使它呈Zener-二極體的作用且在貫穿時可用高電流操作。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中：在各高摻雜或低摻雜的範圍內的高摻雜濃度與低摻雜濃度有一種摻雜梯度。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中：在晶片後側上有一第一金屬層(5)且當作陰極電極，且在晶片的前側上設有一第二金屬層(4)，具有電阻式接點接 到p-井並具有肖特基接點接到n-磊晶層(2)且當作陰極電極。
- 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)呈長方形的形狀或U形的形狀或可選擇的形狀。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中：該PN二極體的貫穿作用在該p-井的下範圍與該n-磊晶層之間的過渡區發生。
- 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中：該第一金屬層(4)及/或第二金屬層(5)的鍍覆金屬由二個或數個上下互相重疊的金屬層次構成。
- 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)呈條帶狀設置或排列成島狀，其中這些島設計成圓形或六角形或其他可預設的形狀。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體裝置，其中：該半導體裝置為汽車發電機系統的一整流器的構件。
- 一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步驟：用n+基材當作起始材料；作n磊晶；蝕刻出渠溝；將該渠溝依該p-井的摻雜組合的設計用高p+摻雜或低p摻雜的矽或多晶矽充滿；特別使一薄的p+層在渠溝的上範圍中擴散； 在前側及後側鍍上金屬。
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