TWI593119B - 高壓渠溝接合屏障肖特基二極體 - Google Patents
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Description
本發明關於一種肖特基二極體，它適合高電壓之用途，且具低流通電壓，低漏電流，沒有切換損失且具高強固性。
對於高電壓用途，一般使用高電壓PN二極體，這類高電壓二極體以有利的方式具低漏電流及高強固性(Robustheit)。這類高電壓PN二極體的缺點為：它們具有高的流通電流及高的切換損失功率。
在這類高電壓PN二極體，電壓主要被這類二極體所設的低摻雜領域所擔任，沿流動方向操作的情形，電子和電洞注入(injizieren,英：injece)此低摻雜領域。在高電流密度時，在低摻雜領域就呈現高注入，且電子和電洞密度大於該低摻雜領域的摻雜濃度。如此，該低摻雜領域的導電性提高。這點以有利的方式造成流通電壓降低。然而高電壓PN二極體的電流在室溫時係從約一流通電壓UF-0.7V才流通。在正常的操作條件，例如在電流密度大於100安培/平方公分時，流通電壓UF升到一個大於1伏特的值。因此會有對應之不想要的高損失功率。由於高電壓PN二極體需要一個厚的低摻雜領域，故在此低摻雜領域上方的流動方向的電壓降相對地(儘管導電性有改良)。
電荷載體(電子和電洞，它們在操作時沿流通方向注入該低
摻雜領域且儲存在該處)，在該高電壓PN二極體已能再接受阻斷電壓(反向電壓)(Sperrspanung，英：reverse voltage)之前，在關掉時(例如當電流驟然換流時)才解散。因此在電流驟然換流時，電流先繼續沿阻斷方向(反向)流，一直到儲存的電荷載體解散掉或清除掉為止。此過程，以及要將儲存之電荷載體解散的「清除電流」的值及期間，主要是由在低摻雜領域中儲存的電荷載體的量決定。「清除電流」較大及為時較久表示關掉之損失功率較高。
肖特基二極體(金屬半導體接觸或矽化物半導體接觸)改善此切換性質。在肖特基二極體的場合，在流通操作中不發生高量注入。因此在關掉時不須清除少數之電荷載體，它們切換很快且幾乎沒有損失。然而因此就會有高漏電流，特別是在高溫時，由於屏障降低效應，和電壓有很大的相依性。此外，對於高阻斷電壓，又需要厚而低摻雜的半導體層，這點在高電流時造成不能接受的高流通電壓。因此矽技術的功率肖特基二極體-儘管切換性質很好-不適合超過約100V的阻斷電壓。
DE 197 40 195 C2提到一種肖特基二極體(以下稱涼SBD)。在這種涼SBD，藉著在一肖特基接點下方設入交替設置之摻雜的p及n導電的柱，可將電阻大大降低，如果柱區域減少，則柱摻雜量可提高，在此p和n柱的摻雜量選設成使得在施加阻斷電壓時，所有摻雜元子離子化。此原理亦稱Superjunction原理(SJ)，由於在一涼SBD中在高電流密度的流通操作中發生高注入。故不能達到純粹肖特基二極體的理想性質，但相較於PN二極體還是好得多。但PN二極體的小流通電壓在大電流時不能達到。
圖1中顯示一個這種習知的涼SBD。此涼SBD有一n+基材
(10)，其上設一n磊晶層(20)厚度D-epi，摻雜濃度ND。此n磊晶層(20)包含蝕刻進去的渠溝(30)(Trench)，它們用p摻雜的矽充填，其摻雜濃度NA，或在上方區域(40)用P+摻雜的矽充填，在相鄰之渠溝(30)間的n磊晶層的寬度為Wn，渠溝(30)寬為Wp。摻雜量和寬度選設成使這些區域在施加阻斷電壓時貧化(verarmen)(Superjunction原理)，這點大約是在NA．Wp=ND．Wn=1012cm-2的情形，該涼SBD(宜做成晶片形式)的前側V上。該n摻雜區域(20)及p+摻雜區域(40)用連續的金屬層(50)蓋住，該金屬層(50)與該n摻雜區域(20)形成一肖特基接觸，而與該p+摻雜區域(40)形成一電阻式接觸，金屬層(50)形成涼SBD的陽極電極。藉著選擇相關的金屬層(50)，肖特基二極體的屏障高度可調整，舉例而言，可用鎳或NiSi當金屬層(50)，在該功能層(50)上方，如有必要，還可有其他金屬層(圖未示)，例如，以使表面變得可軟銲或可結合，在晶片背側(R)同樣有一金屬層或一金屬系統(60)，它形成接到高n+摻雜基材(10)的電阻式接觸，一般這種層或層序列適合作軟銲或其他的安裝。舉例而言，它可用以下順序Cr/NiV及Ag構成。此金屬系統(60)形成涼SBD的陰極端子。
我們可將上述設置視為肖特基二極體和PN二極體的並聯電路。在此，金屬層(50)與n摻雜的柱(20)形成肖特基二極體，PN構造由該層序形成：包含p+-領域(40)、p-領域(30)及基材(10)，做為p+/p/n+構造。
當施加一阻斷電壓時，p-及n-摻雜的柱變小，隨著寬度Wp和Wn變小，摻雜量(至少一直到某種限度為止，此限度由於空間電荷區域在小電壓時已碰狀而造成)可提高，這點減少肖特基二極體(50-20-10)的
路線電阻)提高。這點肖特基二極體(50-20-10)的速方向的導線路電阻。因此流通電壓比起一簡單的肖特基二極體(50-20-10)沿流動方向的阻力。因此流動電壓比在一簡單的肖特基二極體(它須設計成在同樣阻斷電壓時摻雜量須較低)更低。此外還有一些電流沿流動方向經該PN二極體流過。如此，流通電壓(特別是在電流密度大時)進一步減少。然而少數電荷載體(Minoritätsladungsträger，英：minority chdrge carrier)也須在關掉時再排出，對於切換時間有不利的效應。
具有申請專利範圍第一項所述之特徵的肖特基二極體適用於高電壓用途，且有利地具有低流通電壓、低漏電流、小的切換損失以及高強固性。這些優點達成之道係為：依本發明的一種肖特基二極體，具有--n+基材；--n-磊晶層，其厚度(D-epi)；-至少二個做入該n-磊晶層中的渠溝，它們更具有寬度(Wt)和深度(Dt)；-台面區域，位在相鄰的渠溝間，其中該台面區域更有一寬度(Wm)；-在該肖特基二極體的前側(V)上有一金屬層，當作陽極電極，其特徵在：該渠溝的深度Dt和該n-磊晶層的厚度(D-epi)有以下之關係：K．Dt<D-epi，K>4。
本發明其他有利的性質見於以下利用圖式的實例說明。
(10)‧‧‧n+基材
(20)‧‧‧n磊晶層(n摻雜區域)
(30)‧‧‧渠溝
(40)‧‧‧p+摻雜區域
(40a)‧‧‧高p-摻雜的矽或多晶矽
(40b)‧‧‧平坦p-擴散
(50)‧‧‧金屬層
(60)‧‧‧金屬系統
(70)‧‧‧渠溝
(80)‧‧‧台面區域
(V)‧‧‧前側
(R)‧‧‧後側
圖1係一習知涼-SBD的示意圖；圖2係用於說明本發明的肖特基二極體的一簡圖；圖3係用於說明本發明的肖特基二極體的一變更實施例的簡圖；圖4係一坐標圖，其中顯示流通電流特性曲線；圖5係一坐標圖，其中顯示電子分佈；圖6係一坐標圖，其中顯示電洞分佈；圖7係一坐標圖，其中顯示儲存電荷走勢。
圖8係用於說明依本發明的肖特基二極體另一變更實施例的簡圖。
圖2顯示用於說明本發明的一肖特基二極體的簡圖。此肖特基二極體(宜做成晶片形式)，在以下也稱為「高壓渠溝接合屏障肖特基二極體」或HV-TJBS。
在圖2中所示的HV-TJBS有一n+基材(10)、一n磊晶層(20)、一些蝕刻到n-磊晶層(20)中的渠溝(70)、在晶片前側V上的一金屬層(50)(當作陽極電極)、在晶片後側R上的一金屬層(60)(當作陰極電極)。渠溝(70)用高p-摻雜的矽或多晶矽(40a)充填。金屬層(50)(60)也可由二個或更多之上下重疊的金屬層構成。為了一目了然起見，圖2中未顯示這點。在電學觀點，該HV-TJBS係為一渠溝PN二極體[在p摻雜之渠溝(70)(當作陽極)和n磊晶層(20)(當作陰極)之間的PN過渡區]與一肖特基二極體[在金屬層(50)(當作陽極)和低摻雜之n-磊晶層(20)(當作陰極)之間的肖特基屏障]的組合。特別是n磊晶層的摻選設設
成使得在沿流通方向用高電流操作時，係向其高注射情形。
電流沿流通方向先只經過肖特基二極體，由於缺少側向之p-擴散作用，在HV-TJBS的場合，沿流通方向的電流的有效面積遠大於不具渠溝構造的傳統接合-屏障肖特基二極體，隨電流增中，經過PN過渡區的流通電流也增加。
沿阻斷方向，空間電荷區域隨電壓增加而擴張，且當電壓小於HV-TJBS的貫穿電壓時，這些空間電荷區域在相鄰之p渠溝(70)的範圍的中央相碰。如此，與高阻斷電流有關的「肖特基效應」就被遮蔽，因此阻斷電流減少，此遮蔽效應和構造參數Dt(渠溝深度)及Wm(渠溝間距離)有很大關係，本發明的HV-TJBS的遮蔽效應遠比沒有渠溝構造的傳統JBS有效得多，且和一涼SBD比較，一HV-TJBS的遮蔽效應也強得多，因為HV-TJBS有一驟變的PN過渡區而非p和n領域的電荷補償。p領域(4a)的摻雜量遠大於n領域(20)，它不存在SJ條件，而係適用NA．Wt>>ND．Wm，其中NA為渠溝(70)中的摻雜濃度，Wt為渠溝寬度，ND為n-磊晶層(20)中的摻雜濃度，Wm為二渠溝(70)間之n-磊晶層的寬度。
渠溝的深度Dt選設成遠小於n磊晶層(20)的厚度D-epi。
最好：K．Dt<D-epi，其中K>4。
利用這種度量設計，該磊晶層(20)有儘量大的區域用電荷載體潛沒(überfluten，英：submerge)，或在一儘量大的區域中有電荷載體的改質(高注入)。
本發明的HV-TJBS由於其削波(限幅)功能(Klammerfunktion,英：clip function)有高強固性。PN二極體的貫穿電壓BV-pn設計成使BV-pn小於肖特基二極體的貫穿電壓BV-schottky，此外在渠溝(70)底部發生貫穿。如此，在貫穿操作中，電流只流經PN過渡區。流通操作和貫穿操作在不同地點發生，因此在幾何學上係分開的。因此本發明的HV-TJBS有和高電壓PN二極體近似的強固性。
在相當的貫穿電壓(例如650伏特)，本發明的HV-TJBS在室溫的阻斷電流和PN二極體相當，且比起涼SBD的場合小一個數量級。在高溫時，由於肖特基接點的漏電流和溫度有關，故HV-TJBS的漏電流大大提高，但仍然遠小於在涼SBD的場合。
圖3顯示用於說明本發明肖特基二極體的一變更實施例的簡圖。在此變更實施例，肖特基二極體同樣有一n+基材(10)，一n磊晶層(20)，一些蝕刻到磊晶層(20)中的渠溝(70)、一在肖特基二極體(設計成一晶片形式)的前側V上的金屬層(50)(當作陽極電極)、一設在該做成一晶片形式的肖特基二極體的後側R上的金屬層(60)(當作陰極電極)。在此實施例，金屬層(50)一直延伸到渠溝(70)表面進去，且也可完全充漏渠溝(70)。
在此實施例，肖特基二極體的PN過渡區利用一種平坦擴散作用造成。為此目的，將渠溝(70)覆以硼當作摻雜材料，然後作平坦p-擴散[這種擴散圖3中用參考圖號(40b)表示]。藉著脂式及平坦的擴散(其侵入深度例如在渠溝深度=2μm時為0.2μm)，在此實施例，肖特基效應的遮蔽作用和阻斷能力一如圖2所述之肖特基二極體(其中渠溝用p摻雜
矽或p摻敦多晶矽充填)，且在此變更實施例，沿流通方向有高的電流承載能力及高強固性。
相較於圖2所示之實施例，此實施例的優點為程序簡化，在渠溝覆蓋以及隨後的擴散的情形中係和渠溝充填的情形相較有這種程序簡化。
圖8顯示一變更實施例，它係根據圖3的實施例。其不同在於，金屬層(50)不延伸到渠溝進去，而係在渠溝(70)中有一多晶矽構成之高p摻雜層(90)。
圖4顯示的坐標圖中顯示流通特性曲線，其中沿橫軸為流通電壓或通過電壓VF(單位伏特)，沿縱軸為流通電流或通過電流IF(單位IF)。此流通特性曲線係利用一600V構件(其晶片面積26平方毫米)在溫度25℃求出者。特性曲線K1係為一矽構成之傳統高電壓PN二極體的流通特性曲線。特性曲線K2係一矽肖特基二極體(Si-SBD)的流通特性曲線。特性曲線K3係一涼SBD的流通特性曲線。特性曲線K4係依本發明的HV-TJBS的流通特性曲線。
在此，該肖特基二極體、涼SBD及本發明的HV-TJBS的屏障高度各0.72eV。
如由這些特性曲線所見，一HV-TJBS的流通電壓一直到約400安培/平方公分為止(對於26平方毫米的晶片，這相當於約100安培)小於在PN二極體的場合。其原因在於大部分電流經肖特基接點流過。相較於具相同屏障高度的涼SBD，HV-TJBS在電流密度較有利，它大於約150安培/平方公分。其原因在：在高電流密度時，在一涼SBD中，高注入不如
在HV-TJBS那麼強。
圖5所示坐標圖中顯示在台面區域(Mesabereich)(80)中央的電子分佈，其中橫軸表示距晶片前側的距離(單位微米)，而縱軸為電子密度ED/每立方米。這些特性曲線也是利用具晶片面積26平方毫米的600V構件在25℃求得者。特性曲線K1表示一傳統由矽構成之高電壓PN二極體的電子分佈，特性曲線K2表示一矽肖特基二極體(Si-SBD)的電子分佈，特性曲線K3表示一涼SBD的電子分佈，特性曲線K4表示一本發明的HV-TJBS的電子分佈。在此處，該肖特基二極體、涼SBD和本發明的HV-TJBS的屏障高度也各為0.72eV。在HV-TJBS的場合，所示之電子密度係在台面區域的中央求出者。在涼SBD的場合，所示電子密度在n-摻雜區域的中央求出。
由圖5所示之電子分佈走勢可看出，在本發明的裝置，n-摻雜領域用電子潛沒(Übeflutung)的作用和一涼-SBD相當，且遠小於由矽構成之高壓PN二極體。
圖6顯示的坐標圖中顯示電洞分佈，其中橫軸為距晶片前側的距離(單位微米)，縱軸為電洞密度(單位LD/立方公分)。這些特性曲線也係使用晶片面積26平方毫米約600V構件在25℃的溫度求得的。特性曲線K1顯示一由矽構成之傳統高電壓PN二極體的電洞密度，特性曲線K2顯示一矽肖特基二極體(Si-SBD)的電洞密度，特性曲線K3顯示一涼SBD的電洞密度，特性曲線K4顯示一依本發明的HV-TJBD的電洞密度。此處，肖特基二極體、涼SBD及本發明的HV-TJBS的屏障高度也各為0.72eV。在HV-TJBS的場合，所示之電子密度係在台面區域中央求得。在涼SBD的場
合，所示之電子密度在n摻雜區域中央求得。
由圖6所示電洞分佈走勢可看出，在本發明的裝置，n摻雜的領域用電洞潛沒(Überflutung)的作用和一涼-SBD相當且遠小於矽構成之高壓PN二極體。儲存的電荷(它們在關掉時須排除)在本發明的裝置遠小於在高電壓PN二極體。
圖7所示之坐標圖中顯示儲存電荷走勢圖，其中橫軸為時間t(單位秒)，縱軸為陰極電流IK(單位安培)，這些儲存電荷係用一晶片面積26平方毫米約600V構件在25℃溫度求得，其中，另外使用一種流通電流IF的關掉作用當參數，流通電流IF為100A相當於一阻擋電壓VR為300V，電流變化dI/dt為4.4KA/μs。特性曲線K1表示在傳統由矽構成之高電壓PN二極體的儲存電荷走勢，特性曲線K2表示在矽肖特基二極體(Si-SBD)的儲存電荷走勢，特性曲線K3表示在涼SBD的儲存電荷走勢，特性曲線K4表示在依本發明的HV-TJBS的儲存電荷走勢，肖特基二極體、涼SBD及本發明的HV-TJBS的屏障高度各為0.72eV。
由圖7所示之儲存電荷走勢也可看出：固然本發明的HV-TJBS的切換性質略遜於一涼SBD的切換性質，但遠優於一傳統之矽構成之高電壓PN二極體的切換性質。
本發明提供一種高電壓渠溝接合屏障肖特基二極體，它係一種渠溝PN二極體與一傳統肖特基二極體特別組合，該PN二極體的貫穿電壓設計成比肖特基二極體的貫穿電壓低。依本發明的HV-TJBS沿流通方向有高的電流承載能力，沿阻斷方向具有肖特基效應的有效遮蔽作用，因此具低漏電流，且由於渠溝PN二極體的削波功能而有高強固性。
依本發明的HV-TJBS相較於一高電壓PN二極體的優點在於一直到高電流密度為止有低流通電壓，這是由於使用肖特基接點的適當屏障高度配合在高電流密度的高注入，以及切換損失功率小得多之故，因為在流通操作時，經過肖特基接點較小電荷載體注入低摻雜領域並儲存在該處。
依本發明的HV-TJBS相較於一高壓肖特基二極體的優點在於：在高電流密度時(流通電壓低得多，因為低摻雜的領域由於高注入，其導電性大大增加)、漏電流小得多(因為利用渠溝-PN構造將肖特基效應遮蔽)以及強固性得多(由於渠溝PN二極體的削波功能)。
本發明的HV-TJBS相較於涼SBD的優點在高電流密度時流通電壓較低(因為有較強之高注入)及漏電流較低(因為肖特基效應有效得多地遮蔽)。
依本發明的肖特基二極體可不同於上文利用圖2、圖3所述之實施例做成使其所有上述之半導體層各有相反的導電類型，而陽極陰極端子的正負號類例過來。
在圖3或圖8所述之實施例也可使用其他p摻雜材料。
以上利用圖3或圖8所述之覆蓋作用宜利用氣相覆蓋或植入。
在所有上述實施例，對一600V-HV-TJBS，渠溝深度約2μm即足夠。
在上文用圖2說明的實施例，渠溝完全或只部分用p-摻雜矽或p摻雜多晶矽充填。
上述金屬層(50)及(60)可各由一層、或二層或更多之上下重疊的金屬層構成。上述渠溝可呈條帶排列或呈島狀排列，這些島可設計成圖形、六角形或其他形狀。
依本發明的肖特基二極體可如上述具有大於100V的貫穿電壓。這種貫穿電壓甚至可大於600V。
依本發明的一肖特基二極體可具有可軟銲的前側及後側鍍金屬層。
依本發明的一肖特基二極體宜設在一壓入(Einpress)二極體殼體，且可例如為一汽車發電機的整流器的構件。
(10)‧‧‧n+基材
(20)‧‧‧n磊晶層(n摻雜區域)
(40a)‧‧‧高p-摻雜的矽或多晶矽
(50)‧‧‧金屬層
(60)‧‧‧金屬系統
(70)‧‧‧渠溝
(80)‧‧‧台面區域
(V)‧‧‧前側
(R)‧‧‧後側
Claims (10)
- 一種肖特基二極體，具有--n+基材(10)；--n-磊晶層(20)，其厚度(D-epi)；-至少二個做入該n-磊晶層(20)中的渠溝(70)，它們更具有寬度(Wt)和深度(Dt)；-台面區域(80)，位在相鄰的渠溝(70)間，其中該台面區域(80)更有一寬度(Wm)；-在該肖特基二極體的後側(R)上有一金屬層(60)，當作陰極電極，-在該肖特基二極體的前側(V)上有一金屬層(50)，當作陽極電極，該渠溝(70)的深度(Dt)和該n-磊晶層(20)的厚度(D-epi)有以下之關係：K．Dt<D-epi，K>4，且該渠溝(70)的深度(Dt)對該台面區域(80)的寬度(Wm)的比例有以下的關係：Dt/Wm 2。
- 如申請專利範圍第1項之肖特基二極體，其中：設在前側(V)的金屬層(50)和渠溝(70)形成電阻式接觸，且和該n-磊晶層(20)形成肖特基接觸。
- 如申請專利範圍第2項之肖特基二極體，其中： 在該p-領域(4a)和該n-磊晶層(20)的PN過渡區的貫穿電壓小於在該金屬層(50)和該磊晶層(20)之間的肖特基接點的貫穿電壓。
- 如申請專利範圍第1項之肖特基二極體，其中：該肖特基二極體可在貫穿情形操作。
- 如申請專利範圍第1或第2項之肖特基二極體，其中：該渠溝(70)用高p摻雜的矽或高p摻雜的多晶矽充填。
- 如申請專利範圍第1或第2項之肖特基二極體，其中：該渠溝(70)用高摻雜的多晶矽充填且該設在前側(V)的金屬層(50)與此多晶矽層接觸。
- 如申請專利範圍第1或第2項之肖特基二極體，其中：在渠溝(70)中的摻雜物質為硼。
- 如申請專利範圍第7項之肖特基二極體，其中：設在前側(V)的金屬層(50)將該渠溝(70)充填。
- 如申請專利範圍第1或第2項之肖特基二極體，其中：該肖特基二極體的貫穿電壓大於100伏特。
- 如申請專利範圍第1或第2項之肖特基二極體，其中：該肖特基二極體的所有層具有各相反的導電類型且陽極電極和陰極電極的正負號交換過來。
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