专利名称：半导体装置及其制造方法
半导体装置及其制造方法
现有技术本发明涉及一种具有异质结和埋入的发射极的二极管，该二极管尤其适合作Z 二极管应用于机动车发电机系统中。根据应用场合将击穿电压设计在约20V或40V上，由此 可以使用在14V或28V的车载电源中。在当今的机动车中，越来越多的功能通过电部件实现。由此产生了对电功率的日 益增大的需求。为了满足此需求，必须提高机动车中的发电机系统的效率。迄今为止，在机 动车发电机系统中通常使用硅二极管作为Z二极管。成本有利的硅二极管的优点在于它的 小反向电流和它的高鲁棒性。硅二极管的缺点在于相对较高的导通电压VF。在室温下，电流在VF = 0. 7V时才 开始流动。在普通的运行条件下，例如在500A/cm2的电流密度下，VF上升直至超过IV。此 导通损耗显著降低了发电机的效率。硅二极管的另一缺点在于击穿电压的正的温度系数。硅二极管的击穿电压是由雪崩生成确定的并且随着温度的升高而增大。如果Z 二 极管被设置用于限制车载电源电压，则因此在高环境温度和特殊的运行条件(负载突降) 下也许不再能够确保保护功能。车载电源中的电压随后短时间地上升超过最大允许值并且 导致从车载电源获得其供电电压的电子部件的损坏。为了降低导通损耗，在DE-OS 102004056663中建议使用所谓的高效率二极管 (HED)来替代硅二极管。高效率二极管(HED)是新式的肖特基二极管，其与传统的肖特基二 极管相比不具有由反向电压导致的势垒降低效应并且因此具有小的反向电流。高效率二极 管(HED)由单片集成在半导体芯片上的、传统肖特基二极管与诸如场板、pn结或不同的势 垒金属的其他元件的组合组成。高效率二极管(HED)往往在沟槽技术中实施。因此，HED包 括至少一些沟槽结构。这些沟槽(Graben)约1_3 μ m深并且约0. 5_1 μ m宽。通过HED可 以实现约0. 5-0. 6V的低得多的导通电压。HED的一种替换方案是在DE-OS 102006024850中所提出的异质结二极管 (Heterojunction-Diode或HJD)。与两个不同地掺杂的层由相同半导体材料、例如硅组成 的通常的pn结不同，异质结例如由由硅锗(SihGex)构成的ρ掺杂层和由硅(Si)构成的η 掺杂层形成。在此，下标“X”表示锗含量。例如，χ = 0.3对应于30%的锗含量。
图1中示出了异质结二极管HJD的实施例。所示HJD包括约200 μ m厚的、高度 η掺杂的硅衬底1。约1. 1 μ m厚且掺杂浓度例如为4. 5X1016l/cm3的η掺杂的硅外延层2 位于硅衬底1的上面。锗含量为10-40%的SiGe层3位于硅外延层2的上面。SiGe层约 10-50nm厚并且掺杂有浓度大于1019l/cm3的硼。在更高掺杂的情况下，阶梯形的ρ掺杂特 征是有利的。芯片上侧的SiGe层3和芯片下侧的硅衬底1均设置有金属触点4或5。这些触点 可以例如由铬、镍和银的层序列组成。触点4和5形成二极管的电极，即阳极或阴极。通过 异质结二极管HJD可以实现其导通电压VF小于通常的、仅仅由一种半导体材料组成的二极 管的导通电压。与在DE-OS 102004056663中所描述的由很多非常细小的结构(< μπι)组成的HED不同，可以更容易地制造HJD。因为不出现肖特基二极管的显著的势垒降低效应，所以 异质结的能量势垒显著更少地依赖于所施加的反向电压。因此，HJD中的反向电流在无需 如在HED中所必须采取的高成本措施的情况下也小于传统肖特基二极管中的反向电流。无论在传统的硅二极管中还是在以上所述的替换方案HED或HJD中边缘结构都是 必需的。如果没有边缘结构，那么芯片边缘的表面处的场强会高于芯片内部中的场强。这 可能导致在所期望的电压以下以及在芯片边缘处非常小的面积(过高的电流密度！)上已 经发生击穿。通过合适的边缘结构减小了部件的边缘区域中的场强。因此，击穿不再发生 在边缘区域中而是发生在部件的中心。边缘结构的实施例是所谓的浮置保护环。图2示出具有边缘结构——保护环的pn 二极管。如在图2中可以从硅二极管的 示例看出，二极管的内部结构由高度n掺杂的硅衬底1、放置在硅衬底1上面的n掺杂的硅 外延层2以及至少一个扩散到n硅外延层2中的p掺杂的槽6组成。金属触点4或5形成 二极管的电极阳极或阴极。边缘结构由至少一个扩散在n硅外延层2中的、环状的、p掺杂 的槽66组成。氧化层7位于部件的边缘区域的上面，以便保护硅表面以避免电断路以及不 同类型的杂质。槽66用于使空间电荷区在边缘区域中扩展，因此减小部件的边缘区域中的 场强。因此，二极管的击穿电压不由边缘区域而是由二极管的中心确定。槽66不具有传导 大电流的功能，因此，环状槽通常被设计得相对较窄并且取名“环”。具有边缘结构的pn 二极管的另一示例是图3中所示的、具有边缘结构——场板的 pn 二极管。在此同样可以看到由与图2中的元件相同的元件构成的硅二极管高度n掺杂 的硅衬底1、放置在硅衬底1上面的n掺杂的硅外延层2、至少一个扩散在n硅外延层中的 P掺杂的槽6以及再次用作二极管的阴极电极的金属触点5。用作二极管的阳极电极的金 属层44在p掺杂的槽6上面在边缘处向外扩展。氧化层7位于金属44与p掺杂的槽6或 者n掺杂的硅外延层2之间。该金属氧化物硅结构就是所谓的场板。所述场板同样具有使 空间电荷区在边缘区域中扩展的任务，因此减小部件边缘区域中的场强。防止空间电荷区达到芯片边缘的金属环8位于芯片边缘处。通过该场板边缘结构 同样实现了击穿发生在部件的中心。除了这两个所列举的示例以外，当然还已知其他的边 缘结构。它们的共同特征在于，这些结构需要附加的芯片面积。此外，通常还需要附加的工 艺步骤或者掩模。这伴随着较高的缺陷风险。总而言之，这会导致更高的生产成本。此外，芯片边缘表面处的附加结构意味着部件运行时的一定的质量风险，因为无 论是表面还是芯片边缘都特别强地遭受杂质和机械应力。
发明内容
本发明的任务包括提供一种具有低导通电压和高鲁棒性的二极管，其适合作为齐 纳二极管(Z二极管)应用于汽车发电机系统中。此任务通过独立权利要求的特征解决。通过更低的导通电压以有利的方式减小了二极管的损耗功率并且因此提高发电 机的效率。此外，击穿电压不依赖于——或者仅仅微弱地——依赖于温度。因此，在负载突 降运行中，车载电源电压的提高比在使用通常的二极管的情形下低。由此，更好地保护车载 电源的用电器免受过压的损害。可以省去通常的二极管的、在制造中高成本的且需要许多 面积的边缘结构，由此可以实现特别有利的制造方法。根据本发明的解决方案的二极管是具有埋入的发射极的异质结二极管，并且以下被简称为“HJD-BE”。HJD-BE被如此设计，使得在埋入的发射极处发生击穿，即在半导体的内部而不是在敏感的表面或者边缘处发生击穿。HJD-BE的总击穿电压由穿通击穿 (Reach-Through-Durchbruch)和雪崩击穿(Avanlanche-Durchbruch)的组合确定。在此情 况下获得了其他优点。因此，HJD-BE的导通电压小于传统二极管中的导通电压。特别有利 地，击穿发生在部件的内部。由此击穿是非常稳定的，因为其能够不受半导体表面处的电荷 影响。与通常的Z 二极管相比，击穿电压具有更小的温度系数或者根本不再依赖于温 度。在此，可以以有利的方式不再使用附加的边缘结构。附1至3已示出具有二极管特性的半导体装置的结构的已知的解决方案。在图4 和5中示出了本发明的实施例，其中，图4详细地示出具有埋入的发射极的异质结二极管并 且图5示出具有埋入的发射极的平面型肖特基二极管。在图6中示出了具有埋入的发射极 的异质结二极管的仿真结果，其中，在上方示出了仿真中所使用的结构、在中部示出了电场 强度以及在下部示出了击穿开始时沿着AB的电场强度的示意性变化曲线。具有可能的替代方案的建议的结构和功能的详细描述如图4所示，根据本发明的HJD-BE由高度n掺杂的硅衬底1、第一 n硅外延层22、 第二 n硅外延层12、SiGe层3、至少一个埋入的p掺杂的发射极槽9、在芯片上侧的作为欧 姆触点或者阳极电极的金属层4以及在芯片下侧的作为欧姆触点或阴极电极的金属层5组 成。与第二 n硅外延层12相比，第一 n硅外延层22具有更高的掺杂浓度。除了 p掺杂的 SiGe层3与第二 n硅外延层12之间的pn结以外，在埋入的p掺杂的发射极槽9与第一 n 硅外延层22之间以及在埋入的p掺杂的发射极槽9与第二 n硅外延层12之间也形成pn 结。如同在根据图1的实施例中，SiGe层3约10-50nm厚，具有10-40 %的锗含量并 且掺杂有浓度大于1019l/cm3的硼。在更高掺杂的情况下，阶梯式的p掺杂特征是有利的。 因此，可以实现导通电压小于通常的、仅仅由一种半导体材料组成的二极管的导通电压。不 同于肖特基二极管的势垒降低效应，异质结的能量势垒显著更少地依赖于所施加的反向电 压。因此HJD中的反向电流在无需例如在HED中所采取的高成本措施的情况下也小于肖特 基二极管中的反向电流。本发明的HJD-BE的击穿电压由两个子结构确定并且是这两个子 结构的击穿电压之和BV = BV1+BV2。由第一 n硅外延层22、埋入的p掺杂的发射极槽9以及高度n掺杂的硅衬底1组 成的第一子结构被如此设计，使得它的击穿电压BV1由雪崩击穿机制确定。这可以通过第 一 n硅外延层22的掺杂浓度、p掺杂的发射极槽9的掺杂浓度以及高度n掺杂的硅衬底1 与埋入的P掺杂的发射极槽9之间的距离的适当的设计来实现。在最简单的情形中，p掺 杂的发射极槽9的掺杂浓度被选择为远高于第一 n硅外延层22的掺杂浓度。因此，雪崩击 穿电压实际上不再依赖于P掺杂的发射极槽9的掺杂浓度。这是单侧不连续的结。由p掺杂的SiGe层3、第二 n硅外延层12以及埋入的p掺杂的发射极槽9组成的 第二子结构被如此设计，使得它的击穿电压BV2由所谓的穿通效应确定。这可以通过第二 n硅外延层12的掺杂浓度以及SiGe层3与埋入的p掺杂的发射极槽9之间的距离的适当 设计来实现。第二子结构是pnp双极型结构(“埋入的发射极”)。
在HJD-BE击穿时，最高场强的位置——并且因此载流子对的雪崩生成——不在部件的表面上，而是在埋入的p掺杂的发射极槽9与第一 n掺杂的硅外延层22之间的pn结 处。图6中示出具有埋入的发射极的异质结二极管的仿真结果的示例，其中，在上部 示出了仿真中所使用的结构、在中部示出了电场强度以及在下部示出了击穿开始时沿着AB 的电场强度的示意性变化曲线。因为最高电场的位置既不在芯片边缘处也不在表面处，而是在半导体的内部，所 以可以不再使用附加的、高成本的边缘结构。这除节省芯片面积外还导致更简单的制造过 程，因为不需要附加的工艺步骤或者掩模。因为击穿发生在内部，即所涉及的是体积击穿， 所以部件的鲁棒性高于设有边缘结构的元件的鲁棒性。第一子结构的击穿电压BV1由雪崩击穿确定并且因此具有正的温度系数，即击穿 电压BV1随着温度的升高而增大。第二子结构的击穿电压BV2由穿通效应确定并且因此具 有负的温度系数。因为根据本发明的HJD-BE的总击穿电压BV是具有正的温度系数的BV1 与具有负的温度系数的BV2的和，所以与普通雪崩二极管相比击穿电压BV具有小得多的温 度系数。通过几何形状和掺杂浓度的适当设计甚至存在在很大程度上抑制击穿电压BV的 温度依赖性的可能性。这在二极管应在高温和大电流下用于限制机动车发电机中的车载电 源电压时是非常有利的。原则上，这些结构也可被设计用于其他的电压，尤其是用于显著更高的电压。这些 部件可以通过双侧焊接装配安装到已知的压入式二极管壳体中。在分离芯片时可能出现的 晶体缺陷通常可以通过湿刻蚀或干刻蚀消除。这些优点，即省去边缘结构以及击穿电压的更小的或者甚至消失的温度系数当然 也可以在没有异质结的同质pn结中得到充分利用。在此，根据图4的p掺杂的层3不是由 SiGe组成，而是简单地再次由p掺杂的硅组成。以有利的方式，根据本发明的解决方案也适用于肖特基二极管。HJD-BE所表现出 的优点，如-对击穿电压BV1、BV2或者BV= BV1+BV2的独立选择，-通过体积中的击穿实现的更高的鲁棒性，-以及击穿电压的温度系数的补偿，也可以在肖特基二极管中实现。如图5所示，根据本发明的具有埋入的发射极的平面型肖特基二极管由高度n掺 杂的硅衬底1、第一 n硅外延层22、第二 n硅外延层12、至少一个埋入的p掺杂的发射极槽 9、在芯片上侧的作为肖特基触点或者阳极电极的金属层44以及在芯片下侧的作为欧姆触 点或阴极电极的金属层5组成。如同图4中所示的HJD-BE，与第二 n硅外延层12相比，第一 n硅外延层22具有更 高的掺杂浓度。除肖特基触点44与第二 n硅外延层12之间的势垒外，在埋入的p掺杂的 发射极槽9与第一 n硅外延层22之间以及在埋入的p掺杂的发射极槽9与第二 n硅外延 层12之间也形成pn结。除图5中所示的具有埋入的发射极的平面型肖特基二极管外，还可以结合现有技 术中所提及的具有沟槽结构的肖特基二极管来应用根据本发明的解决方案的构思。
其他特殊的构型是p掺杂的SiGe层3的锗含量在10-40%之间。p掺杂的SiGe层3掺杂有浓度大于1019l/cm3的硼，其中，可以阶梯式地实施掺杂 特征。具有半导体元件的装置可用于机动车发电机的整流器中以提高发电机效率。所述 装置适合在大电流下在齐纳运行中在击穿中运行和/或适合在高阻挡层温度下运行，尤其 是在大于200°C的阻挡层温度下运行。击穿电压约为20V或40V的构型是可行的。其他构型实现大大高于40V的击穿电压。替代硅，由其他的材料制造HJD-BE，尤其是由III/V族化合物、SiC/Si等制造 HJD-BE。在另一个构型中，异质结可以由同质结、尤其是p-Si/n-Si替代。层的掺杂顺序正 好相反(n替代p并且p替代n)的HJD-BE也是可行的。在另一构型中，其他半导体元件，尤其是二极管、MOSFET、IGBT等作为边缘结构环 绕在边缘上。
权利要求
半导体装置，所述半导体装置由一高度n掺杂的硅衬底(1)以及一第一n硅外延层(22)组成，所述第一n硅外延层(22)直接连接在所述高度n掺杂的硅衬底(1)上，所述半导体装置具有一p掺杂的SiGe层(3)，所述p掺杂的SiGe层(3)连接在一第二n掺杂的硅外延层(12)上并且形成一异质结二极管，所述异质结二极管位于所述第一n掺杂的硅外延层(22)的上方并且其中pn结位于所述p掺杂的SiGe层(3)内部，其中，与所述第二n硅外延层(12)相比，所述第一n硅外延层(22)具有更高的掺杂浓度，其中，至少一个p掺杂的发射极槽(9)位于所述两个n掺杂的外延层之间并且形成一埋入的发射极，其中，既在所述第一n掺杂的硅外延层(22)处构成一pn结又在所述第二n掺杂的硅外延层(12)处构成一pn结，其中，所述至少一个发射极槽(9)被所述两个外延层完全包围。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述高度η掺杂的硅衬底(1)、所述第 一 η硅外延层(22)以及所述埋入的ρ掺杂的发射极槽(9)组成的第一子结构被如此设计， 使得所述第一子结构的击穿电压BVl由雪崩击穿确定，并且由所述埋入的ρ掺杂发射极槽 (9)、所述第二 η硅外延层(12)以及所述SiGe层(3)组成的第二子结构被如此设计，使得 所述第二子结构的击穿电压BV2由穿通效应确定，并且总击穿电压是BV = BV1+BV2。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一子结构的击穿电压BVl具有 一正的温度系数并且所述第二子结构的击穿电压BV2具有一负的温度系数，使得整个装置 具有所述击穿电压BV的一非常小的或者甚至消失的温度系数。
4.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述ρ掺杂的SiGe层(3)的 锗含量在10-40%之间。
5.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述ρ掺杂的SiGe层(3)掺 杂有浓度大于IO19Vcm3的硼，其中，所述掺杂特征可被阶梯式地实施。
6.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被使用在机动车发 电机的整流器中以便提高发电机效率。
7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置适合于在大电流下 在Z击穿中的运行和/或适合于在高阻挡层温度下的运行，尤其是在大于200°C的阻挡层温 度下的运行。
8.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，SiGe或Si区域由其他半导体 材料替代，如III/V族化合物、Si等。
9.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述击穿电压为约20V或40V。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述击穿电压大大高于40V。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述异质结p-SiGe/n-Si 由一同质结、尤其是p-Si/n-Si替代。
12.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置在边缘上环绕地具 有作为边缘结构的其他半导体元件，尤其是二极管、MOSFET、IGBT等。
13.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，这些层的掺杂顺序恰好相反 (η替代ρ并且ρ替代η)。
14.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，取消所述ρ掺杂的SiGe层(3)并且一金属层(44)与所述第二η硅外延层(12)之间的结被构造为肖特基触点。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置，所述半导体装置由高度n掺杂的硅衬底(1)以及第一n硅外延层(22)组成，所述第一n硅外延层(22)直接连接在所述高度n掺杂的硅衬底(1)上，所述半导体装置具有掺杂的SiGe层(3)，所述p掺杂的SiGe层(3)连接在第二n掺杂的硅外延层(12)上并且形成一异质结二极管，所述异质结二极管位于所述第一n掺杂的硅外延层(22)的上方并且其中pn结位于所述p掺杂的SiGe层(3)内部。在此，与所述第二n硅外延层(12)相比，所述第一n硅外延层(22)具有更高的掺杂浓度。至少一个p掺杂的发射极槽(9)位于所述两个n掺杂的外延层之间并且形成埋入的发射极，其中，既在所述第一n掺杂的硅外延层(22)处构成pn结又在所述第二n掺杂的硅外延层(12)处构成pn结，其中，所述至少一个发射极槽(9)被所述两个外延层完全包围。
文档编号H01L29/861GK101803029SQ200880107841
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月17日 优先权日2007年9月21日
发明者A·格拉赫, N·曲 申请人:罗伯特·博世有限公司