具有溝槽-肖特基-勢壘-肖特基-二極管的半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有溝槽?肖特基?勢壘?肖特基?二極管的半導(dǎo)體裝置(10)，其具有：第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積(12)，所述半導(dǎo)體體積(12)具有敷設(shè)有金屬層(14)的第一側(cè)(16)以及至少一個在所述第一側(cè)(16)中延伸并且至少部分地填充有金屬的槽溝(18)。根據(jù)本發(fā)明，槽溝(18)的至少一個壁區(qū)段(56)和/或敷設(shè)有所述金屬層(14)的第一側(cè)(16)的位于所述槽溝(18)旁的至少一個區(qū)域(24)通過位于金屬層(14)和半導(dǎo)體體積(12)之間的、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料(26)制成的層分開。
【專利說明】
具有溝槽-肖特基-勢壘-肖特基-二極管的半導(dǎo)體裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的半導(dǎo)體裝置。這種半導(dǎo)體裝置以溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的形式由DE 10 2004 059 640 Al已知并且具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積，所述半導(dǎo)體體積具有敷設(shè)有金屬層的第一側(cè)以及至少一個在第一側(cè)中延伸并且至少部分地填充有金屬的槽溝。
【背景技術(shù)】
[0002]肖特基二極管通常具有金屬半導(dǎo)體接觸部或者硅化物半導(dǎo)體接觸部。在肖特基二極管中，在導(dǎo)通運行中沒有發(fā)生高注入并且因而在關(guān)斷時省去少數(shù)載流子的清除(Ausraeumen)。肖特基二極管相對快速地并且損耗少地開關(guān)。在此，術(shù)語高注入表示如下狀態(tài):在所述狀態(tài)中所注入的少數(shù)載流子的密度與多數(shù)載流子密度的數(shù)量級相同。
[0003]然而，肖特基二極管具有相對高的泄漏電流，尤其是在較高溫度下、由于所謂的“勢皇降低效應(yīng)”而具有強電壓相關(guān)性的情況下。此外，一般而言，對于高截止電壓，厚的且低摻雜的半導(dǎo)體層是必需的，這在高電流情況下導(dǎo)致相對高的導(dǎo)通電壓。因而，在硅技術(shù)中的功率肖特基二極管盡管好的開關(guān)行為，然而不適合于或者僅僅少數(shù)情況下適合于超過約100V的截止電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置與開頭提及的現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于權(quán)利要求1的區(qū)別性特征并且因而其特征在于:敷設(shè)有金屬層的第一側(cè)的位于槽溝旁的至少一個區(qū)域和/或槽溝的至少一個壁區(qū)段具有位于金屬層和半導(dǎo)體體積之間的、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料制成的層。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管(下文也稱為“TSBS-P”或“TSBS-PN-P”或“二極管”，如再下面還要解釋的那樣)能夠?qū)崿F(xiàn)相對低的導(dǎo)通電壓和相對小的開關(guān)損耗。此外，由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料制成的相對薄的層能夠?qū)崿F(xiàn)對在使用金屬層的情況下構(gòu)成的肖特基-接觸部的附加屏蔽。由此能夠明顯降低截止電流，尤其是在高溫情況下，其中，導(dǎo)通電壓和開關(guān)損耗保持相對小。
[0006]通過如此布置的、由第一半導(dǎo)體材料制成的層，與常規(guī)的高電壓-肖特基二極管相比，在高電流密度的區(qū)域中能夠?qū)崿F(xiàn)特別低的導(dǎo)通電壓，原因在于，通過高注入，半導(dǎo)體體積的導(dǎo)電性大大提高。通過集成的PN 二極管，該優(yōu)點能夠再次增強。此外，通過如此布置的、由第一半導(dǎo)體材料制成的層，通過肖特基效應(yīng)的借助溝槽結(jié)構(gòu)的屏蔽，得到相對低的泄漏電流。此外，該方案適合于如下改型，其中，通過集成PN 二極管的限制電壓的箝位(Klammer)功能得到相對高的穩(wěn)健性。
[0007]與傳統(tǒng)的高電壓PiN-二極管相比，借助肖特基接觸部的合適的勢皇高度，結(jié)合高電流密度情況下的高注入，在高電流密度情況下，得到相對低的導(dǎo)通電壓的優(yōu)點。此外，還得到相對小的關(guān)斷損耗，原因在于，在導(dǎo)通運行中，通過肖特基-接觸系統(tǒng)(例如肖特基-接觸部結(jié)合直接在肖特基-接觸部下方的薄P層)較少載流子注入并存儲到弱摻雜的區(qū)域中。與現(xiàn)有技術(shù)中的、稱為“冷-SBD”-二極管的其他已知二極管相比，在高電流密度下，通過肖特基效應(yīng)的有效屏蔽，通過更強的高注入和更低的泄露電流，得到更低的導(dǎo)通電壓。
[0008]與無如此布置(其例如作為薄的P層直接位于肖特基-接觸部下方)的半導(dǎo)體層的傳統(tǒng)TSBS或者TSBS-PN相比，得到特別低的泄漏電流以及在高電流密度下更小的導(dǎo)通電壓(在略微更高的關(guān)斷損耗情況下)。在具有集成PN二極管的實施方式中，在高電流密度并且?guī)缀跸嗤年P(guān)斷損耗情況下，在幾乎相同的導(dǎo)通電壓情況下，得到特別低的泄漏電流。
[0009]在從屬權(quán)利要求中給出有利的擴展方案。此外，有利的構(gòu)型在以下的說明書和附圖中可找到，其中，這些特征不僅單獨而且以不同的組合地能夠是有利的，而不必再次對此進行明確指明。
[0010]在此可能的是，如此實施根據(jù)本發(fā)明的二極管，使得二極管的擊穿電壓例如大于10伏，尤其是大于100伏，尤其是大于200伏，或者尤其是甚至大于600伏。因此，根據(jù)本發(fā)明的肖特基二極管尤其適合于高電壓應(yīng)用并且同時擁有低導(dǎo)通電壓、低泄露電流、小的開關(guān)損耗功率以及高穩(wěn)健性。此外，根據(jù)本發(fā)明的肖特基二極管能夠有利地尤其用作用于逆變器、例如用于光伏或者汽車應(yīng)用的功率二極管。例如，該二極管還能夠用作所謂的“空轉(zhuǎn)(Freilauf) 二極管”。
[0011]在半導(dǎo)體裝置的一個構(gòu)型中，半導(dǎo)體體積具有至少兩個槽溝。由此能夠進一步改善溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的有利特性。
[0012]此外能夠設(shè)置:第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料具有10納米至500納米范圍內(nèi)的層厚度。此外能夠設(shè)置:第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料的摻雜濃度在每立方厘米116個原子至每立方厘米117個原子的范圍內(nèi)。這種薄層，尤其是與所給出的摻雜濃度一起，特別合適于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的二極管的相對小的截止電流、相對小的導(dǎo)通電壓以及相對小的開關(guān)損耗。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的一個構(gòu)型中，至少一個槽溝的底部區(qū)域填充有第二半導(dǎo)體材料，其中，第二半導(dǎo)體材料是第二導(dǎo)電類型的多晶半導(dǎo)體材料或者第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。這優(yōu)選以如下方式來實現(xiàn):借助第二半導(dǎo)體材料以及第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積構(gòu)成了 PN 二極管。由此能夠?qū)崿F(xiàn):在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中與溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管電并聯(lián)地集成PN二極管(所謂的“箝位元件”)。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明的一個構(gòu)型中，PN二極管的擊穿電壓小于借助于金屬層、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料制成的層以及第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積構(gòu)成的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的擊穿電壓。
[0015]該半導(dǎo)體裝置優(yōu)選如此構(gòu)造，使得在至少一個槽溝的底部區(qū)段的區(qū)域中能夠?qū)崿F(xiàn)電擊穿。
[0016]該半導(dǎo)體裝置優(yōu)選如此構(gòu)造，使得其在擊穿的狀態(tài)中以相對高的電流運行。
[0017]在本發(fā)明的一個構(gòu)型中，至少一個槽溝的底部區(qū)域借助于硼的離子注入(概稱為:第二導(dǎo)電類型的且濃度比第一導(dǎo)電類型更高的摻雜物質(zhì))轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。由此能夠總體上改善半導(dǎo)體裝置的特性。
[0018]此外能夠設(shè)置:至少部分地填充有金屬的槽溝具有至少兩個相對于槽溝的深度上下相疊布置的金屬層面，其中，上面的金屬層面構(gòu)成金屬層的一個區(qū)段，借助于該區(qū)段敷設(shè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積的第一側(cè)，其中，這些金屬層面優(yōu)選包括不同的金屬。優(yōu)選地，在此，至少一個槽溝完全以至少一種金屬填充。
[0019]作為補充，能夠設(shè)置:對應(yīng)于金屬層的上面的金屬層面的電勢階躍(Potenzialstufe)的高度(肖特基勢皇)小于布置在其下方的金屬層面的電勢階躍的高度(肖特基勢皇)。由此得到多個另外的有利可能性，以便改善溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的特性以及使其匹配于相應(yīng)的電需求。
[0020]在半導(dǎo)體裝置的另一構(gòu)型中，半導(dǎo)體體積的、與敷設(shè)有金屬層的第一側(cè)背離地相對置的第二側(cè)敷設(shè)有導(dǎo)電的接觸材料，其中，半導(dǎo)體體積的與接觸材料鄰接的部分體積與其余的半導(dǎo)體體積相比更強地摻雜。部分體積尤其是所謂的“n+_襯底”(在半導(dǎo)體裝置逆摻雜的情況下其是“P+_襯底”)，如同從現(xiàn)有技術(shù)以類似的方式已知的那樣。在此，更上面部分所描述的金屬層用作第一電極(陽極電極)并且所述接觸材料(其優(yōu)選同樣構(gòu)造為金屬層)用作第二電極(陰極電極)。由此，總體上描述了特別適合于本發(fā)明的二極管的結(jié)構(gòu)。
[0021]在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的一個構(gòu)型中，其具有可焊接電極和/或可焊接元件接頭。
[0022]在半導(dǎo)體裝置的一個構(gòu)型中，其實施為壓入式二極管(Einpressd1de)并且具有相應(yīng)的殼體。補充地能夠設(shè)置:該半導(dǎo)體裝置是用于機動車輛的整流器裝置的元件。
[0023]此外能夠設(shè)置:該半導(dǎo)體裝置至少部分地借助外延方法和/或借助蝕刻方法和/或借助離子注入方法來制造。由此描述用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的有利可能性。
[0024]在該半導(dǎo)體裝置的另一構(gòu)型中，至少一個槽溝的深度I微米至4微米，優(yōu)選為約2微米。借助該尺寸確定(Beme s sung )，例如為了將根據(jù)本發(fā)明的二極管用于機動車輛中的整流器裝置給出特別合適的尺度。例如，在此，能夠達到根據(jù)本發(fā)明的二極管的約600伏特的允許截止電壓。當(dāng)槽溝深度與相應(yīng)兩個槽溝之間的凈間距的比例大于等于大約2時得到半導(dǎo)體裝置的另外的有利尺寸確定。
[0025]此外能夠設(shè)置:至少一個槽溝基本上具有條狀和/或基本上具有島狀。條狀描述基本上伸展的形狀(線)，并且島狀基本上描述集中的形狀，尤其是圓形、六角形或者類似的。優(yōu)選的是，該槽溝具有基本上矩形的截面。在此，槽溝的底部能夠?qū)嵤槠矫娴幕蛘叱蓤A形的(“U形”)，例如半球形。
[0026]在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第一變型方案中，第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料，并且第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料。在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第二變型方案中，第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料并且第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料。因而，該半導(dǎo)體裝置原則上適合于兩種可能的極性。
[0027]此外能夠設(shè)置:半導(dǎo)體裝置包括硅材料和/或硅碳材料和/或硅鍺材料和/或鎵砷材料。因而，本發(fā)明能夠應(yīng)用于所有常見的半導(dǎo)體材料。
【附圖說明】
[0028]接下來參考附圖來闡述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式。附圖中示出:
[0029]圖1:具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的第一實施方式的半導(dǎo)體裝置的簡化剖視圖；
[0030]圖2:具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管和集成PN 二極管的第二實施方式的半導(dǎo)體裝置的簡化剖視圖；
[0031]圖3:具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的第三實施方式的半導(dǎo)體裝置的簡化剖視圖；
[0032]圖4:具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的第四實施方式的半導(dǎo)體裝置的簡化剖視圖。
【具體實施方式】
[0033]在不同的實施方式中，相同的附圖標記也用于所有圖中功能相當(dāng)?shù)脑蛥⒘?。在以下的描述中，其中還部分地使用以下簡稱:
[0034]“TSBS”表示溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管，相當(dāng)于已知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0035]“TSBS-PN”表示具有集成PN二極管作為所謂的“箝位元件”的溝槽_肖特基_勢皇-肖特基-二極管，相當(dāng)于已知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0036]“TSBS-P”表示根據(jù)本發(fā)明的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管，其中，在金屬層(金屬層4)和半導(dǎo)體體積(半導(dǎo)體體積12)之間布置由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料(半導(dǎo)體材料26)制成的層(“薄P層”)。
[0037]“TSBS-pN-p”表示根據(jù)本發(fā)明的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管，其中，對實施方式“TSBS-P”補充地，存在作為箝位元件的集成PN 二極管。
[0038]圖1示出具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的半導(dǎo)體裝置10的第一實施方式(TSBS-P)，其具有:第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積12，所述半導(dǎo)體體積12具有敷設(shè)有金屬層14的第一側(cè)16以及當(dāng)前兩個在第一側(cè)16中延伸并且至少部分地填充有金屬的槽溝18。
[0039]在此，槽溝18的深度42相應(yīng)地是大約2微米。在半導(dǎo)體裝置10的另外實施方式中，溝槽18的深度42可以是在I微米與4微米之間。該槽溝18的深度42與相應(yīng)兩個槽溝18之間的凈間距46的比例大約是2。在半導(dǎo)體裝置10的另外實施方式中，該比例也能夠小于2或大于2。
[0040]當(dāng)前，槽溝18相應(yīng)地具有兩個相對于槽溝18的(在圖1中豎直定義的)深度42上下相疊布置的金屬層面20和22，其中，上面的金屬層面20構(gòu)成金屬層14的區(qū)段，借助于該區(qū)段敷設(shè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積12的第一側(cè)16。這些金屬層面20和22優(yōu)選包括不同的金屬。在此，當(dāng)前對應(yīng)于金屬層14的上面的金屬層面20的電勢階躍(肖特基勢皇)的高度小于布置在其下方的金屬層面22的電勢階躍(肖特基勢皇)的高度。在上面的金屬層14之上，能夠存在未示出的另外的金屬層，它們例如構(gòu)成能焊接的表面。
[0041]此外，在圖1中還能夠看出:敷設(shè)有金屬層14的第一側(cè)16的位于槽溝18旁的區(qū)域24通過位于金屬層14和半導(dǎo)體體積12之間的、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料制成的層16分離。所述由第一半導(dǎo)體材料制成的層26是相對薄的。當(dāng)前，層26具有大約10納米至大約500納米的層厚度。例如，該層厚度大約為70納米。在此，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的摻雜濃度為每立方厘米約116個原子至每立方厘米約117個原子。
[0042]如進一步能看出的那樣，槽溝18完全以金屬層面20和22的金屬填充。替代地，槽溝18也能夠不完全以金屬填充。僅僅需要確保:槽溝18的壁面以及槽溝18的相應(yīng)底部38連貫地與金屬層面20和/或22接觸。
[0043]半導(dǎo)體體積12的、與敷設(shè)有金屬層14的第一側(cè)16背離地相對置的第二側(cè)30敷設(shè)有導(dǎo)電的接觸材料28。在此，半導(dǎo)體體積12的與接觸材料28鄰接的部分體積34與其余的半導(dǎo)體體積12相比更強地摻雜。優(yōu)選地，該導(dǎo)電的接觸材料28是金屬。接觸材料28又能夠包括多個彼此上下相疊的金屬層。
[0044]半導(dǎo)體裝置10至少部分地借助外延方法和/或借助蝕刻方法和/或借助離子注入方法來制造。用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的這樣的方法是在現(xiàn)有技術(shù)中普遍已知的。
[0045]在半導(dǎo)體裝置10的一種實施方式中，所述第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料，并且所述第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料。金屬層14是肖特基-接觸部的一部分并且在這種情況下是陽極電極。相應(yīng)地，接觸材料28構(gòu)成所屬的陰極電極。
[0046]在半導(dǎo)體裝置10的另一實施方式中，第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料并且第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料。
[0047]當(dāng)前，半導(dǎo)體裝置10基本上由硅材料制成。在另外的實施方式中，半導(dǎo)體裝置10由硅碳材料和/或硅鍺材料和/或鎵砷材料制成。
[0048]此外，圖1示出多個通過箭頭或雙向箭頭表示的、半導(dǎo)體裝置10的另外的尺度，其以槽溝18的寬度44、在圖中下方的金屬層面22的厚度或者或深度尺度48、上面的金屬層面20的厚度或者深度尺度50以及由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26制成的層的厚度或者深度尺度52的形式。
[0049]圖2示出半導(dǎo)體裝置10的第二實施方式(TSBS-PN-P)。作為對圖1的實施方式的補充，在圖2中，槽溝18的底部38的區(qū)域36填充有第二半導(dǎo)體材料40，其中，第二半導(dǎo)體材料40具有第二導(dǎo)電類型。該區(qū)域36具有同樣通過雙向箭頭表示的深度尺度54。
[0050]借助第二導(dǎo)電類型的第二半導(dǎo)體材料40以及在附圖中在其下方布置的、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積12得到PN 二極管。該PN 二極管與根據(jù)本發(fā)明的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管并聯(lián)電連接。尤其是可以如此實施半導(dǎo)體體積12的摻雜，使得當(dāng)在導(dǎo)通方向上以高電流來運行半導(dǎo)體裝置10時，能夠?qū)崿F(xiàn)載流子的高注入。
[0051]半導(dǎo)體裝置10當(dāng)前如此相對于尺度、材料和摻雜來進行尺寸確定，使得PN二極管的擊穿電壓小于借助金屬層14、借助由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26所制成的層以及借助第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積12所構(gòu)成的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的擊穿電壓。
[0052]在半導(dǎo)體裝置10的一種實施方式中，第二半導(dǎo)體材料40是多晶半導(dǎo)體材料。在這種情況下，槽溝18的底部38借助離子注入、例如借助化學(xué)元素硼從第一導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變成第二導(dǎo)電類型。通過這種方式，同樣得到PN 二極管。
[0053]如圖2所示，TSBS-PN-P由以下構(gòu)成:η+襯底(部分體積34)、η-外延層(半導(dǎo)體體積12)、至少兩個蝕刻入η-外延層中的槽溝18(英語:trench)以及在芯片(半導(dǎo)體裝置10)的第二側(cè)30(“背側(cè)”)處作為歐姆接觸部或者陰極電極的金屬層(導(dǎo)電的接觸材料28)。
[0054]槽溝18的下面區(qū)域36根據(jù)圖2中表示的深度尺度54以P型摻雜的半導(dǎo)體材料40(例如P-硅)或者多晶-半導(dǎo)體材料(例如多晶硅)來填充。槽溝18然后以下面的金屬(金屬層面22)根據(jù)深度尺度48來填充，以至P型摻雜第二半導(dǎo)體材料40的歐姆接觸部(尤其是P型摻雜硅或者多晶硅)以及以至半導(dǎo)體體積12的肖特基-接觸部(η-外延層)并且接著以上面的金屬(金屬層面20)來覆蓋。上面的金屬根據(jù)深度尺度50填充了槽溝18的一部分，具有至η-外延層的肖特基-接觸部，并且如下面的金屬那樣同樣用作陽極電極。尤其是，如此選擇η-外延層的摻雜，使得當(dāng)在導(dǎo)通方向上以高電流來運行時，在其中存在高注入。
[0055]如在TSBS_P(參見圖1)的情況下那樣，薄的P層(第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26)根據(jù)摻雜濃度“Np-”直接位于肖特基-接觸部(金屬層14)下方。在此，半導(dǎo)體裝置10的第一側(cè)16上的金屬層14并非像現(xiàn)有技術(shù)中所預(yù)先知道的TSBS-PN那樣構(gòu)成簡單的肖特基-接觸部，而是如圖2中能看到的那樣，構(gòu)成“肖特基-接觸系統(tǒng)”。
[0056]TSBS-PN-P(圖2)與TSBS-P(圖1)相比優(yōu)點是集成PN 二極管的附加箝位功能以及與此關(guān)聯(lián)的穩(wěn)健性。限制電壓的箝位功能由以下得到:PN 二極管的擊穿電壓小于肖特基-二極管的擊穿電壓。如同將TSBS-PN與TSBS相比時那樣，相對于現(xiàn)有技術(shù)，得到了相對的改善(具有PN/沒有PN)。
[0057]不僅在根據(jù)圖1的TSBS-P中而且在根據(jù)圖2的TSBS-PN-P中，區(qū)域24不僅能夠存在于半導(dǎo)體體積12的“上側(cè)”處，而且其能夠(如進一步向下在圖3和4中還要示出的那樣)附加地還布置在相應(yīng)的壁區(qū)段56處和/或布置在槽溝18的相應(yīng)底部38處。
[0058]不僅TSBS-P(圖1)而且TSPS-PN-P(圖2)能夠在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10的邊緣區(qū)域中還具有附加結(jié)構(gòu)，用于減少邊緣場強度。所述附加結(jié)構(gòu)能夠例如是低摻雜的P-區(qū)域、場板或者類似的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。
[0059]為了在下文對功能方面進行描述，為簡單起見，將第一導(dǎo)電類型假設(shè)為相應(yīng)的n-摻雜并且將第二導(dǎo)電類型假設(shè)為相應(yīng)的P-摻雜。如上文已經(jīng)描述的那樣，替代地，也能夠逆向?qū)嵤┫鄳?yīng)的摻雜。這也適用于迄今為止參照附圖所描述的實施例。
[0060]如上文同樣部分地闡述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的二極管的一個實施例包括電接觸材料28(陰極電極)，在其上構(gòu)建的n+-襯底作為部分體積34，在其上構(gòu)建的η-外延層(即以外延方式構(gòu)建的半導(dǎo)體材料)作為部分體積34，作為對半導(dǎo)體體積12的補充的、此處本征的半導(dǎo)體材料、優(yōu)選至少兩個在η-外延層中通過蝕刻實現(xiàn)的槽溝18(英語:“trench”)，以及金屬層14作為肖特基-接觸部的一部分或者作為在半導(dǎo)體裝置10的第一側(cè)16處的陽極電極。在制造時，槽溝18優(yōu)選首先以第一、在圖1的圖示中在下面的金屬層面22(下文也稱為“第一金屬”或稱為“下面的金屬”)來填充，直至可預(yù)給定的深度48，并且接著以第二金屬層面20(下文也稱為“第二金屬”或者稱為“上面的金屬”)來覆蓋。第二金屬層面20填充槽溝18優(yōu)選直至槽溝18的上邊緣。
[0061]優(yōu)選如此選擇第一金屬和第二金屬，使得與第一金屬相比，第二金屬擁有更小的勢皇高度。因而，從電方面看，TSBS是具有不同勢皇高度的兩個肖特基二極管的組合:具有在作為陽極的第一金屬和作為陰極的η-外延層之間的肖特基勢皇的第一肖特基二極管，以及具有在作為陽極的第二金屬與作為陰極的η-外延層之間的肖特基勢皇的第二肖特基二極管。
[0062]當(dāng)兩種金屬的勢皇高度明顯不同時，當(dāng)在流動方向(“導(dǎo)通方向”)上運行時，電流流動，主要至具有較低勢皇的上面的金屬，其中，該電流也流經(jīng)槽溝18的相應(yīng)側(cè)向壁區(qū)段。因而在TSBS的情況下，在流動方向上的電流流動的有效面積相對大。
[0063]在截止方向上，第一金屬借助其較大的勢皇高度引起空間電荷區(qū)的較大延展?？臻g電荷區(qū)隨著電壓升高而延展并且在小于TSBS擊穿電壓的電壓下在兩個直接相鄰的槽溝18之間的區(qū)域中心碰撞。由此屏蔽引起高截止電流的肖特基效應(yīng)并且降低截止電流。該屏蔽效應(yīng)與如下強相關(guān):結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如槽溝18的深度42)、槽溝18之間的凈間距46、槽溝18的寬度44以及第一金屬的層厚度。只要槽溝18的深度42明顯大于所述凈間距46，則空間電荷區(qū)在槽溝18之間的所謂“臺面區(qū)域(Mensa-Bereich)”中的延展是準一維的。
[0064]TSBS的優(yōu)點是兩種金屬的組合，其能夠關(guān)于對導(dǎo)通電壓以及屏蔽性能的需求而實現(xiàn)構(gòu)造的一定分離。導(dǎo)通電壓和截止電流的起始值當(dāng)前受第二金屬(所述第二金屬具有相對低的勢皇)影響。第二金屬的層厚度越大，則導(dǎo)通電壓越低并且截止電流的起始值越高。
[0065]另一方面，第一金屬(所述第一金屬具有相對高的勢皇)確定截止電流的電壓相關(guān)性以及在高截止電流情況下的擊穿電壓和電流分布。因而，通過組合兩種金屬，TSBS提供了優(yōu)化可能性。不僅兩種金屬的相應(yīng)層厚度而且勢皇高度在此都能夠作為參數(shù)被預(yù)給定。
[0066]當(dāng)(如更上面已經(jīng)描述的那樣)PN二極管集成在半導(dǎo)體裝置10中時，能夠改進這樣實施的二極管，所述PN 二極管與肖特基二極管電并聯(lián)地起作用。在此，尤其能夠進行所謂的“空穴注入”。該二極管接下來首先表示為“TSBS-PN”。
[0067]TSBS-PN同樣包括n+-襯底、η-外延層、至少兩個蝕刻入η-外延層的槽溝18以及在半導(dǎo)體裝置10的第二側(cè)30處(在圖示中下側(cè)、背側(cè))的導(dǎo)電的接觸材料28，其中，得到歐姆接觸部和/或陰極電極。槽溝18的下面區(qū)域以P型摻雜硅或者多晶硅填充直至第一高度(高度尺度54)。槽溝18然后以具有相應(yīng)層厚度的第一金屬填充，其中，第一金屬具有至P-摻雜硅或者至多晶硅的歐姆接觸部。此外，第一金屬構(gòu)成至η-外延層的肖特基-接觸部并且因而同時是陽極電極的一部分。此外，第一金屬以第二金屬覆蓋。第二金屬填充槽溝18優(yōu)選至少直到槽溝18的上邊緣。此外，在第一側(cè)16的與槽溝18鄰接的區(qū)域中，第二金屬同樣構(gòu)成至η-外延層的肖特基-接觸部并且同樣用作陽極電極的一部分。
[0068]從電方面看，所示出的TSBS-PN是具有不同勢皇高度的兩個肖特基二極管以及具有在槽溝18的底部38處布置的、作為陽極的“P-池”和作為陰極的η-外延層的PN二極管的組合。尤其是，如此選擇η-外延層的摻雜，使得當(dāng)在導(dǎo)通方向上以高電流運行時，在其中能夠?qū)崿F(xiàn)載流子的高注入。
[0069]在TSBS-PN中，電流首先在導(dǎo)通方向(相當(dāng)于沒有PN二極管的TSBS)上流動，也就是說，在首先在流動方向上相對小的電壓的情況下僅僅通過上面的金屬層面20的肖特基二極管。隨著電流增加，導(dǎo)通電流也越來越多地通過PN-結(jié)，并且必要時也通過下面的金屬層面22的肖特基二極管，更確切地說，與相應(yīng)的勢皇高度相關(guān)。
[0070]因此，TSBS-PN具有溝槽結(jié)構(gòu)，其具有并聯(lián)連接的肖特基二極管和PN二極管。該組合引起:在導(dǎo)通運行時，載流子濃度在弱摻雜的區(qū)域中遠高于在肖特基二極管中，但是明顯低于例如在PiN-二極管中。由此實現(xiàn)一方面導(dǎo)通電壓與另一方面開關(guān)損耗之間的優(yōu)化。
[0071]在截止方向上，不僅在肖特基勢皇的情況下而且在PN-結(jié)處構(gòu)造空間電荷區(qū)。該屏蔽效應(yīng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)強相關(guān)，尤其與槽溝18之間的凈間距46、槽溝18的寬度44或者所述P-池的寬度、P-摻雜硅或者多晶硅的相應(yīng)成比例的層厚度(根據(jù)P-池的層厚度)，以及第一金屬的層厚度相關(guān)。
[0072]通過PN二極管的集成“箝位功能”，TSBS-PN附加提供相對高的穩(wěn)健性。PN 二極管的擊穿電壓(BV_pn)如此設(shè)計，使得BV_pn低于肖特基二極管的擊穿電壓(BV_schottky)。擊穿優(yōu)選在槽溝底部處發(fā)生并且TSBS-PN的擊穿電壓由BV_pn確定。因而，在肖特基-接觸部附近不存在高的場強并且擊穿運行中的截止電流然后僅僅流經(jīng)PN-結(jié)并且沒有如同對于TSBS那樣流經(jīng)肖特基-接觸部。因而，TSBS-PN擁有與PN 二極管相當(dāng)?shù)姆€(wěn)健性。因而，TSBS-PN例如也很適合于齊納二極管。然而，盡管如此，如同在TSBS中那樣，肖特基二極管的特征仍部分繼續(xù)存在。TSBS-PN的泄露電流、尤其在高溫下的泄露電流與PiN 二極管相比明顯更高。
[0073]根據(jù)本發(fā)明，通過如下方式得到溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的明顯改進(如更上面已經(jīng)描述的那樣):槽溝18的至少一個壁區(qū)段56(參見圖3和4)和/或敷設(shè)有金屬層14的第一側(cè)16的位于槽溝18旁的至少一個區(qū)域24通過位于金屬層14和半導(dǎo)體體積12之間的、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26制成的、位于區(qū)域24中的層分離(“TSBS-P”或者“TSBS-PN-P” )。在此例如與傳統(tǒng)的PiN-功率-二極管相比，在相對低的導(dǎo)通電壓情況下能夠得到明顯更低的開關(guān)損耗，并且與TSBS和/或TSBS-PN相比，在相當(dāng)?shù)膶?dǎo)通電壓和開關(guān)損耗下，能夠得到明顯更低的截止電流。
[0074]此外，由第二導(dǎo)電類型(例如具有摻雜濃度“Np-”)的第一半導(dǎo)體材料26制成的相對薄的P層直接在(最上面的)金屬層14(其構(gòu)成肖特基-接觸部)下方提供肖特基-接觸部的附加屏蔽。由此能夠明顯降低截止電流，尤其是高溫下，其中，導(dǎo)通電壓以及開關(guān)損耗保持相對小?？傮w上，由于薄P層，根據(jù)本發(fā)明的溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管不僅僅構(gòu)成簡單的肖特基-接觸部，而且構(gòu)成“肖特基-接觸系統(tǒng)”。
[0075]注釋:在此通常，用單數(shù)提及“薄P層”，以便指明，在相應(yīng)的電流通路中僅僅恰好一個這種薄P層通過電流。在此應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10、尤其是以槽溝18為條件優(yōu)選具有多個此類薄P層(并聯(lián))，其因此通過一個槽溝18或者通過多個槽溝18相互分離。
[0076]示例1:如果相對厚地實施并且相對強地摻雜所提及的由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26制成的薄的P層，則近乎完全屏蔽所述肖特基-接觸部。在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10的第一側(cè)16(“前側(cè)”)上的上面的金屬層14與薄P層一起構(gòu)成歐姆接觸部。所得到的、相疊布置的層的序列(即上面的金屬層14、薄P層(半導(dǎo)體材料26)、n-外延層以及n+襯底類似于PiN-二極管起作用。在此，在該示例中，雖然得到相對低的截止電流，然而，在電流密度小時也得到相對高的導(dǎo)通電壓以及相對高的開關(guān)損耗。
[0077]示例2:然而，如果特別薄地實施并且足夠弱地摻雜薄的P層，則用于肖特基-接觸部的薄的P層幾乎完全透明。半導(dǎo)體裝置10的第一側(cè)16( “前側(cè)”)上的金屬層14與層序列“金屬層14/薄P層(半導(dǎo)體材料26)/n-外延層(半導(dǎo)體體積12)”構(gòu)成肖特基-接觸部。層序列“金屬層14/薄P層(半導(dǎo)體材料26)/n-外延層(半導(dǎo)體體積12 )/n+_襯底(部分體積34)”在此相當(dāng)于肖特基二極管起作用。在此，得到相對高的截止電流、高電流密度下相對高的導(dǎo)通電壓以及相對小的開關(guān)損耗。
[0078]當(dāng)前，如果薄P層對于少數(shù)載流子、在P-發(fā)射極的該情況下對于電子而言是可透過的，則所述薄P層稱為透明的。此外，一方面，該肖特基接觸系統(tǒng)的勢皇(包括薄P層在內(nèi))通過薄P層的摻雜濃度以及厚度(深度尺度52)確定地必須足夠低且薄，以便肖特基-接觸部的電子能夠注入到半導(dǎo)體材料26中或者半導(dǎo)體體積12(例如硅)中。另一方面，幾乎不允許少數(shù)載流子(電子)在其路徑上通過薄的P層重新組合，也就是說，電子的迀移時間必須比其少數(shù)載流子壽命小許多。
[0079]示例3:如果薄P層的厚度和摻雜濃度以合適的(根據(jù)本發(fā)明的)方式來設(shè)計，則能夠預(yù)給定和/或優(yōu)化重要特征參量，例如高電流密度下的導(dǎo)通電壓、截止電流以及開關(guān)損耗。在該情況下，層序列“金屬層14/薄P層(半導(dǎo)體材料26)/n-外延層(半導(dǎo)體體積12)/n+-襯底(部分體積34)”如同具有部分透明P層的肖特基二極管那樣起作用。用于P層的優(yōu)化參數(shù)是其層厚度(深度尺度54)以及其摻雜濃度“Np-”。
[0080]尤其是，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn):通過直接在肖特基-接觸部下方產(chǎn)生薄P層，來明顯降低截止電流、尤其是在高溫下，而同時對導(dǎo)通電壓和開關(guān)損耗不具有顯著影響。也就是說，一方面，P層優(yōu)選應(yīng)如此薄并且如此弱地摻雜，使得在導(dǎo)通運行中幾乎不發(fā)生P層的空穴注入和/或僅僅發(fā)生P層的少量空穴注入，并且因而載流子分布基本上對應(yīng)于TSBS。另一方面，就是說，薄P層應(yīng)相對厚地實施并且相對強地摻雜，以便在截止方向上至少部分地屏蔽肖特基-接觸部。因而，根據(jù)應(yīng)用需求，如更上面已經(jīng)描述的那樣，P層實施成具有在10納米至500納米范圍內(nèi)的厚度以及在每立方厘米體積116至117范圍內(nèi)的摻雜濃度。
[0081 ]如同樣在更上面所描述的那樣，本發(fā)明也包括TSBS-PN 二極管，其在下文中由于根據(jù)本發(fā)明的薄P層而稱為“TSBS-PN-P” (溝槽-肖特基-勢皇-肖特基二極管，其具有作為箝位元件的集成PN 二極管、具有直接在肖特基-接觸部下方的薄P層)。
[0082]與更上面所描述的1383-產(chǎn)-二極管相當(dāng)，對于1383^產(chǎn)二極管也得到:直接在(最上面的)金屬層14(其構(gòu)成肖特基-接觸部)下方布置的第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料26(例如具有摻雜濃度“Np-”)所制成的相對薄的P層。相應(yīng)地，由于薄P層，根據(jù)本發(fā)明的TSBS-PN-P-二極管也不是僅僅構(gòu)成簡單的肖特基-接觸部，而是構(gòu)成“肖特基接觸系統(tǒng)”。
[0083]接下來，概括地列舉和/或重復(fù)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點:
[0084]與常規(guī)高電壓-肖特基二極管相比:
[0085]-在高電流密度的區(qū)域中特別低的導(dǎo)通電壓是可能的，原因在于，通過高注入而大大提高了弱摻雜區(qū)域的導(dǎo)電性。在實施方式“TSBS-P”中，這通過直接在肖特基-接觸部下方的薄P層來得到。在實施方式“TSBS-PN-P”中，這附加地通過集成PN二極管來得到。
[0086]-相對低的泄露電流，通過借助于溝槽-結(jié)構(gòu)結(jié)合直接在肖特基-接觸部下方的薄P層來屏蔽肖特基-效應(yīng)。此外，對于實施方式“TSBS-PN-P”，通過PN 二極管的箝位功能得到相對高的穩(wěn)健性。
[0087]與傳統(tǒng)高電壓-PiN-二極管相比:
[0088]-相對低的導(dǎo)通電壓直至高的電流密度，借助肖特基-接觸部的合適勢皇高度結(jié)合高電流密度下的高注入。
[0089]-相對小的關(guān)斷損耗，原因在于，在導(dǎo)通運行中，通過肖特基-接觸系統(tǒng)(肖特基-接觸部結(jié)合直接在肖特基-接觸部下方的薄P層)少量的載流子在弱摻雜的區(qū)域中被注入和存儲。
[0090]與來自現(xiàn)有技術(shù)的另一解決方案(所謂的“7令-SBD”-二極管)相比
[0091]-在高電流密度下通過較強高注入實現(xiàn)較低的導(dǎo)通電壓。通過對肖特基-效應(yīng)的有效屏蔽而得到的較低泄露電流。
[0092]與沒有薄P層直接位于肖特基-接觸部下方的傳統(tǒng)TSBS和TSBS-PN相比:
[0093]-實施方式TSBS-P能夠?qū)崿F(xiàn)特別低的泄漏電流，以及高電流密度下、在略微更高的關(guān)斷損耗下較小的導(dǎo)通電壓。
[0094]-實施方式TSBS-PN-P能夠在幾乎相同的導(dǎo)通電壓下、在高電流密度和幾乎相同的關(guān)斷損耗下實現(xiàn)特別低的泄漏電流。
[0095]在圖3和圖4中示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10的其他實施方式。與根據(jù)圖1的實施方式不同，在圖3的實施方式中，第二導(dǎo)電類型的(相對薄的)第一半導(dǎo)體材料26附加地至少逐區(qū)域地布置在槽溝18的至少一個壁區(qū)段56處直至預(yù)給定的深度(沒有附圖標記)。
[0096]在圖4的實施方式中，第一半導(dǎo)體材料26附加地布置在槽溝18的相應(yīng)整個壁面處以及在槽溝18的底部38處。因而，在圖4中，金屬層14和/或金屬層面20和22分別直接與第一半導(dǎo)體材料26鄰接，然而未直接與半導(dǎo)體體積12鄰接。
【主權(quán)項】
1.一種具有溝槽-肖特基-勢皇-肖特基-二極管的半導(dǎo)體裝置(10)，其具有:第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積(12)，所述半導(dǎo)體體積(12)具有敷設(shè)有金屬層(14)的第一側(cè)(16)以及至少一個在所述第一側(cè)(16)中延伸并且至少部分地填充有金屬的槽溝(18)，其特征在于，所述槽溝(18)的至少一個壁區(qū)段(56)和/或敷設(shè)有所述金屬層(14)的第一側(cè)(16)的位于所述槽溝(18)旁的至少一個區(qū)域(24)具有位于所述金屬層(14)和所述半導(dǎo)體體積(12)之間的、由第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料制成的層(26)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述半導(dǎo)體體積(12)具有至少兩個槽溝(18)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置(10)， 其中，所述第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料(26)具有大約10納米至大約500納米的層厚度。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述第二導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體材料(26)的摻雜濃度為每立方厘米體積大約116個原子至每立方厘米體積大約117個原子。5.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述至少一個槽溝(18)的底部(38)的區(qū)域(36)填充有第二半導(dǎo)體材料(40)，其中，所述第二半導(dǎo)體材料(40)是多晶半導(dǎo)體材料或者所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。6.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述至少部分地填充有金屬的槽溝(18)具有至少兩個相對于所述槽溝(18)的深度(42)上下相疊布置的金屬層面(20，22)，其中，上面的金屬層面(20)構(gòu)成所述金屬層(14)的一個區(qū)段，借助于所述區(qū)段敷設(shè)所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體體積(12)的第一側(cè)(16)，其中，所述金屬層面(20，22)優(yōu)選包括不同的金屬。7.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述至少一個槽溝(18)完全以至少一種金屬填充。8.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述半導(dǎo)體體積(12)的、與敷設(shè)有所述金屬層(14)的第一側(cè)(16)背離地相對置的第二側(cè)(30)敷設(shè)有導(dǎo)電的接觸材料(28)，其中，所述半導(dǎo)體體積(12)的與所述接觸材料(28)鄰接的部分體積(34)與其余的半導(dǎo)體體積(12)相比更強地摻雜。9.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述半導(dǎo)體裝置(10)至少部分地借助外延方法和/或借助蝕刻方法和/或借助離子注入方法來制造。10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，對應(yīng)于所述金屬層(14)的上面的金屬層面(20)的電勢階躍、肖特基勢皇的高度小于布置在其下方的金屬層面(22)的電勢階躍、肖特基勢皇的高度。11.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述至少一個槽溝(18)的深度(42)為I微米至4微米，優(yōu)選大約2微米。12.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述槽溝(18)的深度(42)與相應(yīng)兩個槽溝之間的凈間距(46)的比例大于等于大約2。13.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料，并且所述第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料。14.根據(jù)權(quán)利要求1-12中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述第一導(dǎo)電類型對應(yīng)于P型摻雜的半導(dǎo)體材料，并且所述第二導(dǎo)電類型對應(yīng)于η型摻雜的半導(dǎo)體材料。15.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項所述的半導(dǎo)體裝置(10)，其中，所述半導(dǎo)體裝置(10)包括硅材料和/或硅碳材料和/或硅鍺材料和/或鎵砷材料。
【文檔編號】H01L29/872GK105957901SQ201610130285
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月8日
【發(fā)明人】N·曲, A·格拉赫
【申請人】羅伯特·博世有限公司