WO2014195131A1 - Hochspannungs-trench-junction-barrier-schottkydiode mit p-schichten unter dem schottky-kontakt - Google Patents

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WO2014195131A1
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schottky
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PCT/EP2014/060400
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Ning Qu
Alfred Goerlach
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
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    • H01L29/0619—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] with a supplementary region doped oppositely to or in rectifying contact with the semiconductor containing or contacting region, e.g. guard rings with PN or Schottky junction

Definitions

  • the invention relates to a Schottky diode which is suitable for high voltage applications and further has low forward voltage, low leakage current, low switching power dissipation and high robustness.
  • High-voltage PiN diodes are PN diodes in which there is an undoped or intrinsic, in practice usually weakly doped, layer i between the p and n regions. In a high-voltage PiN diode, the voltage is mainly taken from the weakly doped area. When operating in the forward direction, electrons and holes are injected into the lightly doped region. At high current density, high injection occurs in the weakly doped region and the electron and hole density is higher than that
  • Doping concentration of the weakly doped region This increases the conductivity of the weakly doped region. This advantageously reduces the forward voltage.
  • the charge carriers namely electrons and holes, which are injected into the lightly doped region during operation in the forward direction and stored there, must first be removed when switching off, for example during an abrupt current commutation, before the high-voltage PiN diode is able to do so is to take over reverse voltage again. Therefore, in the event of an abrupt current commutation, the current first flows in the reverse direction until the stored charge carriers have been degraded.
  • the amount and duration of the clearing stream for the removal of the stored charge carriers is determined primarily by the amount of charge carriers stored in the lightly doped region. A higher and longer-lasting evacuation current means a higher Abschaltmannaku.
  • Schottky diodes have metal semiconductor contacts or silicide semiconductor contacts.
  • Schottky diodes there is no high injection in the forward mode, and therefore eliminating the removal of the minority carriers at shutdown. Schottky diodes switch quickly and almost without loss. However, this high leakage currents are associated, especially at high temperature, with strong voltage dependence due to the barrier-lowering effect. In addition, thick and low-doped semiconductor layers are again necessary for high reverse voltages, which leads to unacceptable, high forward voltages at high currents. Because of this, Schottky power Schottky diodes, despite their good switching behavior, are not suitable for blocking voltages above approximately 100 V.
  • Cool SBD is known from DE 197 40 195 C2
  • the introduction of doped, alternately arranged p- and n-conducting columns under a Schottky contact makes possible a significant lowering of the resistance Column width is reduced, the Column surcharges are increased.
  • the doping of the p and n columns is chosen so that all doping atoms are ionized in the presence of reverse voltage. This principle is also called a super-junction principle. Since high injection current injection occurs at high current density in a Cool SBD, the ideal switching behavior of a pure Schottky diode is not achieved, but significantly improved compared to a PiN diode. However, the low forward voltage of the PiN diode is not achieved at high currents.
  • HV-TJBS high-voltage trench junction barrier Schottky diode
  • a Schottky diode having the features specified in claim 1 is a novel, high-blocking power diode in silicon trenching technique, which is also referred to below as HV-TJBS-P or high-voltage
  • Trench Junction Barrier Schottky diode with p-layers under the Schottky contact is called.
  • Such a HV-TJBS-P has significantly lower turn-off losses at lower forward voltages as compared to conventional PiN power diodes and, compared to a HV-TJBS, significantly lower reverse currents at almost identical forward voltages and switching losses.
  • the HV-TJBS-P of this invention is a particular combination of a trench PiN diode with a Schottky diode.
  • the breakdown voltage BV_pn of the PiN diode becomes lower than the breakdown voltage
  • BV_schottky the Schottky diode designed.
  • the HV-TJBS-P of this invention adds over a lower forward voltage and lower switching losses.
  • the p-type layers provide additional shielding of the Schottky contact directly under the Schottky contact. As a result, reverse currents, especially at high temperature, are significantly reduced without the forward voltages and the switching losses being increased.
  • FIG. 1 shows a sketch for illustrating a HV-TJBS
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate a first exemplary embodiment of an inventive HV-TJBS-P
  • FIG. 3 shows a sketch to illustrate a second exemplary embodiment of an inventive HV-TJBS-P.
  • FIG. 1 shows a sketch to illustrate a HV-TJBS.
  • the HV-TJBS structure in Fig. 1 is shown in fragmentary cross-section.
  • the HV-TJBS shown in FIG. 1 has an n + -type substrate 10, an n-epilayer 20, trenches 70 etched into the n-epilayer 20, a metal layer 50 on the chip front side V as the anode electrode and on the chip back side R a metal layer 60 as a cathode electrode.
  • the trenches 70 are filled with highly p-doped silicon or polysilicon 40a.
  • the metal layers 50 and 60 may also consist of two or more different superimposed metal layers. For the sake of clarity, this is not shown in FIG.
  • the HV-TJBS is a combination of a trench PN diode (PN junction between the p-doped trenches 70 as the anode and the n-epi layer 20 as the cathode) and a Schottky barrier (Schottky barrier between the metal layer 50 as the anode and the lightly doped n-epi layer 20 as a cathode).
  • the doping of the n-epi layer is selected such that when operated with high currents in the flow direction, it is in high injection. In the forward direction, currents first flow only through the Schottky diode.
  • the effective area for the current flow is In the case of the HV-TJBS, the luting direction is significantly greater than in a conventional junction barrier Schottky diode without a trench structure. With increasing currents, forward currents flow increasingly through the PN junction.
  • the space charge zones expand with increasing voltage and collide at a voltage lower than the breakdown voltage of the HV-TJBS in the middle of the area between the adjacent p-type trenches 70.
  • the Schottky effect responsible for high reverse currents is shielded and thus the reverse currents are reduced.
  • This screening effect is strongly dependent on the structural parameters Dt (depth of the trenches) and Wm (distance between the trenches).
  • the shielding effect of the HV-TJBS of this invention is much more effective than conventional JBS without trench structure.
  • the shielding effect of a HV-TJBS is also significantly higher, since an HV-TJBS has an abrupt PN junction instead of a charge compensation of the p and n regions.
  • the p-type regions 40a are doped substantially higher than the n-type region 20. There is no superjunction condition, but NA-Wt >> ND-Wrn, where NA is the doping concentration in the trenches 70, Wt is the width of the Trenches 70, ND is the doping concentration in the n-epi layer 20 and Wm is the width of the n-epi layer between two trenches 70.
  • the depth Dt of the trenches is selected to be substantially smaller than the thickness D_epi of the n-epi layer 20.
  • n Dt ⁇ D_epi, where n> 4.
  • An HV-TJBS offers a high robustness due to its clip function.
  • the breakdown voltage BV_pn of the PN diode is designed such that BV_pn is lower than the breakdown voltage BV_schottky of the Schottky diode and, moreover, the breakdown at the bottom of the trenches 70 takes place. In the breakdown mode, the current then flows only through the PN junction. Passage operation and breakthrough operation take place at different locations and are thus geometrically separated.
  • the HV-TJBS therefore has a similar robustness as a high-voltage PN diode.
  • the reverse currents at room temperature of the HV-TJBS and a PN diode are comparable and more than an order of magnitude smaller than a Cool-SBD.
  • the leakage currents of a HV-TJBS are significantly increased because of the temperature dependence of the leakage current of a Schottky contact, but remain significantly lower than with a Cool-SBD.
  • HV-TJBS 650V
  • a current density of about 400 A / cm 2 than for the PiN diode, since a large proportion of the currents flows through the Schottky contact.
  • advantages can be seen in current densities greater than about 150 A cm 2 , since at high current density the high injection in a Cool-SBD is still not as strong as in an HV-TJBS.
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate a first exemplary embodiment of an inventive HV-TJBS-P.
  • a HV-TJBS-P structure is shown in fragmentary cross-section in Figure 2.
  • the HV-TJBS-P like an HV TJBS, has an n + substrate 10 on which an n-epi layer 20 of thickness D_epi is arranged.
  • the n-epi layer 20 includes etched trenches 70 filled with p-doped silicon or poly-silicon 40a.
  • the metal layers 50 and 60 also represent the anode or cathode contact of the diode.
  • the structure of a HV-TJBS-P described hitherto corresponds to the construction of the HV-TJBS shown in FIG.
  • HV-TJBS-P structure preferably thin p-layers 90 of thickness D_p and doping concentration N_p are located directly below the Schottky contact.
  • the metal layer 50 on the front side V of the chip forms an ohmic contact on the one hand with the p-doped regions 40a and on the other hand does not form a simple Schottky contact with the p-layers 90 and the n-doped regions 20 underneath.
  • TJBS but a Schottky contact system.
  • this Schottky contact system is decisively determined by the p-layers 90: If the p-layers 90 are thick and rich enough doped, the Schottky contact is completely shielded.
  • the metal layer 50 on the front side V of the chip forms an ohmic contact with the p-layers 90 and the layer sequence 50-90-20-10 functions like a PiN diode and is characterized by low reverse currents, high forward voltages at low current density and high
  • the p-type layers 90 are thin and weakly doped enough, the p-type layers 90 become almost completely transparent to Schottky contact.
  • the metal layer 50 on the front side V of the chip forms a Schottky contact with the layer sequence 90-20.
  • the layer sequence 50-90-20-10 functions like a Schottky diode and is characterized by high reverse currents, high forward voltages at high current density and low switching losses.
  • a transparency of the p-layers 90 is understood to mean that these p-layers are permeable to minority carriers, in the present case a p-type emitter 90 for the electrons. This is the case if, on the one hand, the barrier of this Schottky contact system, including the p-layers 90, determined by the doping concentration and the thickness of the p-layers 90, are low and narrow enough that the electrons from the Schottky contact into the Silicon can be injected. On the other hand, the minority carriers (electrons) are unlikely to recombine on their way through the p-layers 90. This is the case when the transit time ⁇ t of the electrons is much smaller than their minority carrier lifetime ⁇ ⁇ .
  • the layer sequence 50-90-20-10 functions like a Schottky diode with partially transparent p-layers.
  • the optimization parameters for the p-layers are the thickness D_p and the doping concentration N_p.
  • the reverse currents, especially at high temperature are directly underlined by the insertion of thin p-type layers significantly reduced Schottky contact, without at the same time having noticeable negative effects on the forward voltage and the switching losses.
  • the p-layers 90 are so thin and so weakly doped that in the forward mode almost no or only a small hole injection from the p-layers 90 comes so that the charge carrier distribution is almost the same as in a HV-TJBS; but thick and bold enough to partially shield the reverse Schottky contact.
  • the p-layers 90 are designed with a thickness in the range of 10 nm to 500 nm and with a doping concentration in the range of 10 16 to 10 17 cm -3 .
  • FIG. 3 shows a sketch to illustrate a second exemplary embodiment of an inventive HV-TJBS-P.
  • the pn junctions are realized not using trenches filled with p-doped silicon or poly-silicon but using a shallow diffusion.
  • the HV-TJBS-P has an n + -type substrate 10, an n-epilayer 20, trenches 70 etched into the n-epilayer 20, a metal layer 50 on the chip front side V including the surface of the trenches as the anode electrode and a metal layer 60 on the chip back R as the cathode electrode.
  • these p-trenches are not realized by filling with p-doped silicon or poly-silicon, but by boron occupancy at the trench walls and floors and subsequent shallow p-diffusion 40b.
  • the shielding effect of Schottky effects and the blocking ability is very similar to the embodiment described above, in which with p doped silicon or poly-silicon filled trenches are used. This also applies to the high current capability in the forward direction and the high robustness.
  • the shallow p-doped regions in the trenches may be contacted with metal - in this case, the trenches are completely filled with the metal layer 50 - or with highly doped polysilicon.
  • an HV-TJBS-P has the following advantageous properties: a) compared to conventional high-voltage Schottky diodes:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schottkydiode, aufweisend ein n+-Substrat (10), eine n-Epischicht (20), die eine Dicke (D_epi) aufweist, mindestens zwei in die n-Epischicht (20) eingebrachte Gräben (70), die jeweils eine Breite (Wt)und eine Tiefe (Dt) aufweisen, Mesa-Bereiche (80) zwischen benachbarten Gräben (70), wobei die Mesa-Bereiche jeweils eine Breite (Wm) aufweisen, eine einen ohmschen Kontakt bildende und als Kathodenelektrode dienende erste Metallschicht (60) an der Rückseite (R) der Schottkydiode sowie eine einen ohmschen Kontakt zu den Gräben (70) und einen Schottky- Kontakt zu der n-Epischicht (20) bildende und als Anodenelektrode dienende zweite Metallschicht (50) an der Vorderseite (V) der Schottkydiode, wobei p-Schichten (90) mit einer Dicke (D _p)und einer Dotierkonzentration (N _p)direkt unter dem Schottky-Kontakt angeordnet sind, die zusammen mit der zweiten Metallschicht (50) und der n-dotierten Epischicht (20) ein Schottky-Kontaktsystem bilden.

Description

Beschreibung
Titel
Hochspannungs-Trench-Junction-Barrier-Schottkydiode mit p-Schichten unter dem Schottky-Kontakt
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schottkydiode, die sich für Hochspannungsanwendungen eignet und des Weiteren eine niedrige Durchlassspannung, einen niedrigen Leckstrom, eine kleine Schaltverlustleistung und eine hohe Robustheit aufweist.
Im Rahmen der C02-Thematik werden zunehmend effiziente Stromumrichter benötigt. Beispiele sind Wechselrichter für Photovoltaik- oder Automobilanwendungen. In diesem Zusammenhang besteht ein Bedarf an hoch sperrenden, verlust- armen und schnell schaltenden Leistungshalbleitern. Neben aktiven Halbleiterschaltern wie IGBTs oder CoolMOS-Transistoren sind auch Freilaufdioden erforderlich. Für Hochspannungsanwendungen werden in der Regel Hochspannungs- PiN-Dioden eingesetzt. Vorteile der Hochspannungs-PiN-Dioden sind der niedrige Leckstrom und die hohe Robustheit. Die Nachteile sind einerseits eine hohe Durchlassspannung und andererseits eine hohe Schaltverlustleistung.
Hochspannungs-PiN-Dioden sind PN-Dioden, bei denen sich zwischen dem p- und dem n-Gebiet eine undotierte bzw. intrinsische, in der Praxis meist schwach dotierte Schicht i befindet. In einer Hochspannungs-PiN-Diode wird die Span- nung hauptsächlich vom schwach dotierten Gebiet übernommen. Bei Betrieb in der Durchlassrichtung werden Elektronen und Löcher in das schwach dotierte Gebiet injiziert. Bei hoher Stromdichte herrscht Hochinjektion im schwach dotierten Gebiet und die Elektronen- und Löcherdichte ist höher als die
Dotierkonzentration des schwach dotierten Gebiets. Dadurch wird die Leitfähig- keit des schwach dotierten Gebiets erhöht. Dies reduziert in vorteilhafter Weise die Durchlassspannung. Allerdings beginnt der Strom einer Hochspannungs-PiN- Diode bei Raumtemperatur erst ab etwa einer Durchlassspannung UF = 0.7 V zu fließen. Unter normalen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einer Stromdichte, die größer ist als 100 A/cm2, steigt UF auf werte bis über 1 V an. Damit verbunden ist eine entsprechend hohe, unerwünschte Verlustleistung. Da eine Hochspannungs-PiN-Diode ein dickes schwach dotiertes Gebiet benötigt, ist der
Spannungsabfall in der Durchlassrichtung über dem schwach dotierten Gebiet trotz der Leitfähigkeitsmodulation relativ groß.
Die Ladungsträger, nämlich Elektronen und Löcher, die während des Betriebs in der Durchlassrichtung in das schwach dotierte Gebiet injiziert und dort gespeichert werden, müssen beim Abschalten, beispielsweise bei einer abrupten Stromkommutierung, erst abgebaut werden, bevor die Hochspannungs-PiN- Diode in der Lage ist, wieder Sperrspannung zu übernehmen. Daher fließt der Strom bei einer abrupten Stromkommutierung zuerst in Sperrrichtung weiter, bis die gespeicherten Ladungsträger abgebaut bzw. ausgeräumt sind. Die Höhe und die Dauer des Ausräumstroms zum Abbau der gespeicherten Ladungsträger ist in erster Linie von der Menge der im schwach dotierten Gebiet gespeicherten Ladungsträger bestimmt. Ein höherer und länger dauernder Ausräumstrom bedeutet eine höhere Abschaltverlustleistung.
Eine Verbesserung des Schaltverhaltens bieten Schottkydioden. Diese weisen Metall-Halbleiterkontakte bzw. Silizid-Halbleiterkontakte auf. Bei Schottkydioden findet keine Hochinjektion im Durchlassbetrieb statt und daher entfällt das Ausräumen der Minoritätsladungsträger beim Abschalten. Schottkydioden schalten schnell und nahezu verlustlos. Allerdings sind damit hohe Leckströme verbunden, insbesondere bei Hochtemperatur, mit starker Spannungsabhängigkeit wegen des Barrier-Lowering-Effekts. Außerdem sind für hohe Sperrspannungen wieder dicke und niedrig dotierte Halbleiterschichten notwendig, was bei hohen Strömen zu nicht akzeptablen, hohen Durchlassspannungen führt. Deswegen sind Leistungs-Schottkydioden in Silizium-Technik trotz ihres guten Schaltverhaltens für Sperrspannungen über etwa 100 V nicht geeignet.
Aus der DE 197 40 195 C2 ist eine sogenannte„Cool-SBD" bekannt. Bei dieser Diode wird durch das Einbringen von dotierten, alternierend angeordneten p- und n-leitenden Säulen unter einem Schottky-Kontakt eine signifikante Absenkung des Widerstandes möglich. Wenn die Säulenbreite reduziert wird, können die Säulendotierungen erhöht werden. Dabei ist die Dotierung der p- und n-Säulen so gewählt, dass bei einem Anliegen von Sperrspannung alle Dotieratome ionisiert sind. Dieses Prinzip wird auch als Super-Junction-Prinzip bezeichnet. Da in einer Cool-SBD im Durchlassbetrieb bei hoher Stromdichte Hochinjektion statt- findet, wird das ideale Schaltverhalten einer reinen Schottkydiode nicht erreicht, gegenüber einer PiN-Diode aber deutlich verbessert. Die geringe Durchlassspannung der PiN-Diode wird aber allerdings bei hohen Strömen nicht erreicht.
Des Weiteren wurde bereits eine sogenannte Hochspannungs-Trench-Junction- Barrier-Schottkydiode, nachfolgend auch als HV-TJBS bezeichnet, vorgeschlagen, welche eine Trenchstruktur mit parallel geschalteten Schottky- und PiN- Dioden aufweist. Diese Kombination sorgt dafür, dass im Durchlassbetrieb die Ladungsträgerkonzentration im schwach dotierten Gebiet viel höher als die in einer Schottkydiode, aber deutlich niedriger als die in einer PiN-Diode ist. Dadurch erreicht man eine Optimierung zwischen Durchlassspannung einerseits und
Schaltverlusten andererseits. Mit der Trenchstruktur wird der Barrier-Lowering- Effekt unterdrückt und dadurch Leckstrom reduziert. Aber der Charakter einer Schottkydiode bleibt trotzdem teilweise bestehen und der Leckstrom, insbesondere bei hoher Temperatur, ist deutlich höher als der einer PiN-Diode.
Offenbarung der Erfindung
Bei einer Schottkydiode mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen handelt es sich um eine neuartige, hoch sperrende Leistungs-Diode in Silizium- Trenchtechnik, die nachfolgend auch als HV-TJBS-P oder Hochspannungs-
Trench-Junction-Barrier-Schottkydiode mit p-Schichten unter dem Schottky- Kontakt bezeichnet wird. Eine derartige HV-TJBS-P weist verglichen mit herkömmlichen PiN-Leistungs-Dioden deutlich geringere Abschaltverluste bei niedrigeren Durchlassspannungen und verglichen mit einer HV-TJBS deutlich gerin- gere Sperrströme bei nahezu gleichen Durchlassspannungen und Schaltverlusten auf.
Bei der HV-TJBS-P dieser Erfindung handelt es sich um eine bestimmte Kombination einer Trench-PiN-Diode mit einer Schottkydiode. Die Durchbruchspan- nung BV_pn der PiN-Diode wird niedriger als die Durchbruchspannung
BV_schottky der Schottkydiode ausgelegt. Die HV-TJBS-P dieser Erfindung ver- fügt über eine niedrigere Durchlassspannung und geringere Schaltverluste. Außerdem liefern die p-Schichten direkt unter dem Schottky-Kontakt eine zusätzliche Abschirmung des Schottky-Kontakts. Dadurch werden Sperrströme, insbesondere bei hoher Temperatur, deutlich reduziert, ohne dass die Durchlassspan- nungen und die Schaltverluste erhöht werden.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Zeichnung. Es zeigt: Fig.1 eine Skizze zur Veranschaulichung einer HV-TJBS,
Fig.2 eine Skizze zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße HV-TJBS-P und Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße HV-TJBS-P.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer HV-TJBS. Dabei ist die HV-TJBS-Struktur in der Fig. 1 ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt.
Die in der Figur 1 gezeigte HV-TJBS weist ein n+-Substrat 10, eine n-Epischicht 20, in die n-Epischicht 20 eingeätzte Gräben (Trenches) 70, eine Metallschicht 50 an der Chipvorderseite V als Anodenelektrode und an der Chiprückseite R eine Metallschicht 60 als Kathodenelektrode auf. Die Gräben 70 werden mit hoch p-dotiertem Silizium oder Polysilizium 40a gefüllt. Die Metallschichten 50 und 60 können auch aus zwei oder mehr unterschiedlichen, übereinander liegenden Metallschichten bestehen. Der Übersichtlichkeit wegen ist dies in der Figur 1 nicht eingezeichnet. Elektrisch gesehen ist die HV-TJBS eine Kombination einer Trench-PN-Diode (PN-Übergang zwischen den p-dotierten Gräben 70 als Anode und der n-Epischicht 20 als Kathode) und einer Schottkydiode (Schottky- Barriere zwischen der Metallschicht 50 als Anode und der schwach dotierten n-Epischicht 20 als Kathode). Insbesondere ist die Dotierung der n-Epischicht so gewählt, dass bei Betrieb mit hohen Strömen in Flussrichtung in ihr Hochinjektion vorliegt. In Durchlassrichtung fließen Ströme zuerst nur durch die Schottkydiode. Wegen fehlender lateraler p-Diffusion ist die effektive Fläche für den Stromfluss in Durch- lassrichtung bei der HV-TJBS deutlich größer als in einer konventionellen Junction-Barrier-Schottkydiode ohne Trench-Struktur. Mit steigenden Strömen fließen Durchlassströme zunehmend auch durch den PN-Übergang.
In Sperrrichtung dehnen sich die Raumladungszonen mit steigender Spannung aus und stoßen bei einer Spannung, die kleiner als die Durchbruchspannung der HV-TJBS ist, in der Mitte des Bereichs zwischen den benachbarten p-Gräben 70 zusammen. Dadurch wird der für hohe Sperrströme verantwortliche Schottky- Effekt abgeschirmt und somit die Sperrströme reduziert. Dieser Abschirmeffekt ist stark von den Strukturparametern Dt (Tiefe der Gräben) und Wm (Abstand zwischen den Gräben) abhängig. Die Abschirmwirkung der HV-TJBS dieser Erfindung ist viel effektiver als bei konventionellen JBS ohne Trench-Struktur. Auch im Vergleich zu einer Cool-SBD ist die Abschirmwirkung einer HV-TJBS deutlich stärker, da eine HV-TJBS über einen abrupten PN-Übergang statt einer Ladungskompensation der p und n-Gebiete verfügt. Die p-Gebiete 40a sind wesentlich höher dotiert als das n-Gebiet 20. Es herrscht keine Super-Junction- Bedingung, sondern es gilt NA-Wt >> ND-Wrn, wobei NA die Dotierungskonzentration in den Gräben 70, Wt die Breite der Gräben 70, ND die Dotierungskonzentration in der n-Epischicht 20 und Wm die Breite der n-Epischicht zwischen zwei Gräben 70 ist.
Die Tiefe Dt der Gräben ist wesentlich kleiner als die Dicke D_epi der n- Epischicht 20 gewählt. Vorzugsweise gilt: n Dt < D_epi, wobei n > 4.
Eine HV-TJBS bietet durch ihre Klammerfunktion eine hohe Robustheit. Die Durchbruchspannung BV_pn der PN-Diode wird so ausgelegt, dass BV_pn niedriger als die Durchbruchspannung BV_schottky der Schottkydiode ist und zudem der Durchbruch am Boden der Gräben 70 stattfindet. Im Durchbruchsbetrieb fließt der Strom dann nur durch den PN-Übergang. Durchlassbetrieb und Durchbruchsbetrieb finden an unterschiedlichen Orten statt und sind damit geometrisch getrennt. Die HV-TJBS verfügt deshalb über eine ähnliche Robustheit wie eine Hochspannungs-PN-Diode.
Bei vergleichbaren Durchbruchsspannungen, z. B. 650 V, sind die Sperrströme bei Raumtemperatur der HV-TJBS und einer PN-Diode vergleichbar und mehr als eine Größenordnung kleiner als bei einer Cool-SBD. Bei Hochtemperatur sind die Leckströme einer HV-TJBS deutlich erhöht wegen der Temperaturabhängig- keit des Leckstroms eines Schottky- Kontakts, bleiben jedoch nach wie vor deutlich niedriger als bei einer Cool-SBD.
Die Durchlassspannung einer HV-TJBS (650V) ist bis zu einer Stromdichte von ca. 400 A/cm2 kleiner als bei der PiN-Diode, da ein großer Anteil der Ströme durch den Schottky-Kontakt fließt. Im Vergleich zu einer Cool-SBD mit gleicher Barrierenhöhe sind Vorteile bei Stromdichten größer als etwa 150 A cm2 zu erkennen, da bei hoher Stromdichte die Hochinjektion in einer Cool-SBD weiter nicht so stark ist wie in einer HV-TJBS.
Wegen dieser stärkeren Hochinjektion ist das Schaltverhalten einer HV-TJBS etwas ungünstiger als bei der Cool-SBD, allerdings wesentlich besser als bei einer PN-Diode.
Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße HV-TJBS-P. Dabei ist in der Figur 2 eine HV-TJBS-P-Struktur ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. Die HV-TJBS-P weist ebenso wie eine HV-TJBS ein n+-Substrat 10, auf dem eine n-Epischicht 20 der Dicke D_epi angeordnet ist. Die n-Epischicht 20 enthält eingeätzte Gräben (Trenches) 70, die mit p-dotiertem Silizium oder Poly-Silizium 40a ausgefüllt sind. Die Metallschichten 50 und 60 stellen auch hier den Anoden- bzw. Kathodenkontakt der Diode dar. Der bisher beschriebene Aufbau einer HV-TJBS-P entspricht dem Aufbau der in der Fig. 1 gezeigten HV-TJBS.
Neu bei der HV-TJBS-P-Struktur ist, dass sich vorzugsweise dünne p-Schichten 90 der Dicke D_p und der Dotierkonzentration N_p direkt unter dem Schottky- Kontakt befinden. Die Metallschicht 50 auf der Vorderseite V des Chips bildet einerseits mit den p-dotierten Bereichen 40a einen ohmschen Kontakt und bildet andererseits mit den p-Schichten 90 und den darunter liegenden n-dotierten Bereichen 20 nicht einen einfachen Schottky-Kontakt wie bei einer HV-TJBS, sondern ein Schottky-Kontaktsystem.
Die Funktionsweise dieses Schottky-Kontaktsystems wird entscheidend von den p-Schichten 90 bestimmt: Sind die p-Schichten 90 dick und fett genug dotiert, so wird der Schottky-Kontakt vollständig abgeschirmt. Die Metallschicht 50 auf der Vorderseite V des Chips bildet mit den p-Schichten 90 einen ohmschen Kontakt und die Schichtenfolge 50-90-20-10 funktioniert wie eine PiN-Diode und zeichnet sich durch niedrige Sperrströme, hohe Durchlassspannungen bei kleiner Stromdichte und hohe
Schaltverluste aus.
Sind die p-Schichten 90 hingegen dünn und schwach genug dotiert, so werden die p-Schichten 90 für den Schottky-Kontakt fast vollständig transparent. Die Me- tallschicht 50 auf der Vorderseite V des Chips bildet mit der Schichtenfolge 90-20 einen Schottky-Kontakt. Die Schichtenfolge 50-90-20-10 funktioniert wie eine Schottkydiode und zeichnet sich durch hohe Sperrströme, hohe Durchlassspannungen bei hoher Stromdichte und kleine Schaltverluste aus.
Unter einer Transparenz der p-Schichten 90 wird dabei verstanden, dass diese p-Schichten für Minoritätsladungsträger, im vorliegenden Fall eines p-Emitters 90 für die Elektronen, durchlässig sind. Dies ist dann der Fall, wenn einerseits die Barriere dieses Schottky-Kontaktsystems inklusive der p-Schichten 90, bestimmt durch die Dotierkonzentration und die Dicke der p-Schichten 90, niedrig und schmal genug sind, so dass die Elektronen vom Schottky-Kontakt in das Silizium injiziert werden können. Andererseits dürfen die Minoritätsladungsträger (Elektronen) auf ihrem Weg durch die p-Schichten 90 kaum rekombinieren. Dies ist dann der Fall, wenn die Transitzeit τ t der Elektronen sehr viel kleiner als ihre Minoritätsträgerlebensdauer τ η ist.
Falls die Dicke und die Dotierkonzentration der p-Schichten 90 -wie vorstehend beschrieben- geeignet ausgelegt werden, können die wichtigsten Kenngrößen wie Durchlassspannungen bei hoher Stromdichte, Sperrströme und Schaltverluste in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Anwendung und in Abhängigkeit vom jeweiligen Bedarf eingestellt bzw. optimiert werden. In diesem Fall funktioniert die Schichtenfolge 50-90-20-10 wie eine Schottkydiode mit teilweise transparenten p-Schichten. Die Optimierungsparameter für die p-Schichten sind die Dicke D_p und die Dotierkonzentration N_p. Bei einer HV-TJBS-P der vorliegenden Erfindung sind die Sperrströme, insbesondere bei hoher Temperatur, durch Einsetzen dünner p-Schichten direkt unter dem Schottky-Kontakt deutlich reduziert, ohne gleichzeitig spürbare negative Auswirkungen auf die Durchlassspannung und die Schaltverluste zu haben. Die p-Schichten 90 sind so dünn und so schwach dotiert, dass im Durchlassbetrieb fast keine bzw. nur eine geringe Löcherinjektion von den p-Schichten 90 kommt, so dass die Ladungsträgerverteilung nahezu gleich wie bei einer HV-TJBS ist; aber dick und fett genug sind, um den Schottky-Kontakt in Sperrrichtung teilweise abzuschirmen. In Abhängigkeit von den Anforderungen der jeweils vorliegenden Applikation werden die p-Schichten 90 mit einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 500 nm und mit einer Dotierungskonzentration im Bereich von 1016 bis 1017 cm"3 ausgelegt.
Die Fig. 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße HV-TJBS-P.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die pn-Übergänge nicht unter Verwendung von mit p-dotiertem Silizium oder Poly-Silizium ausgefüllten Gräben, sondern unter Verwendung einer flachen Diffusion realisiert.
Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel die HV-TJBS-P ein n+-Substrat 10, eine n-Epischicht 20, in die n-Epischicht 20 eingeätzte Gräben (Trenches) 70, eine Metallschicht 50 an der Chipvorderseite V einschließlich der Oberfläche der Gräben als Anodenelektrode und eine Metallschicht 60 an der Chiprückseite R als Kathodenelektrode auf. Nun werden diese p-Gräben nicht durch Ausfüllen mit p-dotiertem Silizium oder Poly-Silizium realisiert, sondern durch Bor-Belegung an den Trenchwänden und -böden und anschließende flache p-Diffusion 40b. Durch eine fette und sehr flache Diffusion mit einer Eindringtiefe von beispielsweise nicht größer als 0.2 μηη bei einer Grabentiefe DtO von etwa 2μηι ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Abschirmwirkung von Schottky-Effekten und die Sperrfähigkeit sehr ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei welchem mit p-dotiertem Silizium oder Poly-Silizium ausgefüllte Gräben verwendet werden. Dies gilt ebenfalls für die hohe Stromfähigkeit in der Durchlassrichtung und die hohe Robustheit. Die flachen p-dotierten Bereiche in den Gräben können mit Metall - in diesem Fall sind die Gräben vollständig mit der Metallschicht 50 ausgefüllt - bzw. auch hochdotiertem Polysilizium kontaktiert sein. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels gegenüber dem in der Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht in der Prozesseinfachheit von Belegung und Diffusion im Unterschied zu einem Ausfüllen von Gräben.
Nach alledem weist eine HV-TJBS-P gemäß der vorliegenden Erfindung folgende vorteilhafte Eigenschaften auf: a) im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-Schottkydioden:
- eine sehr viel niedrigere Durchlassspannung im Bereich hoher Stromdichte, da die Leitfähigkeit des schwach dotierten Gebiets durch Hochinjektion stark erhöht ist,
- wesentlich niedrigere Leckströme durch Abschirmung des Schottky-Effekts mit Hilfe einer Trench-PN-Struktur in Kombination mit dünnen p-Schichten direkt unter dem Schottky-Kontakt und
- eine wesentlich höhere Robustheit durch die Klammerfunktion der Trench- PN-Diode; b) im Vergleich zu konventionellen Hochspannungs-PiN-Dioden:
- eine niedrigere Durchlassspannung bis zu hoher Stromdichte mit Hilfe einer geeigneten Barrierenhöhe des Schottky-Kontakts in Kombination mit einer Hochinjektion bei hoher Stromdichte,
- eine wesentlich kleinere Abschaltverlustleistung, da im Durchlassbetrieb durch das Schottky-Kontaktsystem (Schottky-Kontakt in Kombination mit dünnen p-Schichten direkt unter dem Schottky-Kontakt) weniger Ladungsträger im schwach dotierten Gebiet injiziert und gespeichert sind; c) im Vergleich zu Cool-SBDs:
- eine niedrigere Durchlassspannung bei hoher Stromdichte durch stärkere Hochinjektion und
- niedrigere Leckströme durch eine wesentlich effektivere Abschirmung des Schottky-Effekts; und d) im Vergleich zu HV-TJBSs ohne dünne p-Schichten unter dem Schottky- Kontakt:
- wesentlich niedrigere Leckströme bei nahezu gleicher Durchlassspannung bei hoher Stromdichte und nahezu gleicher Abschaltverlustleistung.

Claims

Ansprüche
Schottkydiode, aufweisend ein n+-Substrat (10), eine n-Epischicht (20), die eine Dicke (D_epi) aufweist, mindestens zwei in die n-Epischicht (20) eingebrachte Gräben (70), die jeweils eine Breite (Wt) und eine Tiefe (Dt) aufweisen, Mesa-Bereiche (80) zwischen benachbarten Gräben (70), wobei die Mesa-Bereiche jeweils eine Breite (Wm) aufweisen, eine einen ohmschen Kontakt bildende und als Kathodenelektrode dienende erste Metallschicht (60) an der Rückseite (R) der Schottkydiode sowie eine einen ohmschen Kontakt zu den Gräben (70) und einen Schottky-Kontakt zu der n-Epischicht (20) bildende und als Anodenelektrode dienende zweite Metallschicht (50) an der Vorderseite (V) der Schottkydiode, dadurch gekennzeichnet, dass p- Schichten (90) mit einer Dicke (D_p) und einer Dotierkonzentration (N_p) direkt unter dem Schottky-Kontakt angeordnet sind, die zusammen mit der zweiten Metallschicht (50) und der n-dotierten Epischicht (20) ein Schottky- Kontaktsystem bilden.
Schottkydiode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der Tiefe (Dt) der Gräben (70) zu der Breite (Wm) der Mesa-Bereiche die folgende Beziehung gilt: Dt / Wm > 2.
Schottkydiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Durchbruch am Boden der Gräben (70) stattfindet.
Schottkydiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kombination einer Schottkystruktur und einer Trench-PN-Struktur aufweist und die Durchbruchspannung ihrer PN-Diode (BV_pn) niedriger als die Durchbruchspannung ihrer Schottkydiode
(BV_schottky) ist.
5. Schottkydiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Durchbruch betreibbar ist.
6. Schottkydiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (70) mit hoch p-dotiertem Silizium oder PolySilizium ausgefüllt sind.
7. Schottkydiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Oberfläche der Gräben (70) aus eine Dotierung mit einem p-Stoff in das n-dotierte Gebiet (20) hinein erstreckt, wobei die Eindringtiefe der Dotierung kleiner als die Tiefe (DtO) der Gräben (70) ist.
8. Schottkydiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als P-Stoff Bor verwendet ist.
9. Schottkydiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der
Oberfläche der Gräben (70) eine fette Bordotierung vorliegt, die in eine anschließende flache Bor-Diffusion übergeht.
10. Schottkydiode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bor-Belegung durch eine Gasphasen-Belegung oder eine Bor-Implantation erfolgt ist.
1 1 . Schottkydiode nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung einer 600 V-Schottkydiode die Tiefe (Dt) der Gräben (70) im Bereich von 2 μηη liegt.
12. Schottkydiode nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallschicht (50) an der Vorderseite (V) der Schottkydiode die Gräben (70) ausfüllt.
13. Schottkydiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt unter dem Schottkykontakt vorgesehenen p- Schichten (90) eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 500 nm und eine Dotierkonzentration im Bereich von 1016 cm"3 bis 1017 cm"3 aufweisen.
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