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作为箝位元件的、集成的衬底PN 二极管的沟槽式M0S势垒肖 特基二极管(Trench-MOS-Barrier-Schottky-Diode)，以下简称为 TMBS-Sub-PN，其特别适 合作为具有约20V的击穿电压的Z功率二极管应用于机动车发电机系统中。在当今机动车中，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 增长的需求。为了满足所述需求，必须提高机动车中的发电机系统的效率。通常，在机动车 发电机系统中一般使用PN 二极管作为Z 二极管。PN 二极管的优点一方面是反向电流小，另 一方面是鲁棒性高。主要缺点是导通电压UF高。在室温下，电流在UF = 0. 7V下才开始流 动。在普通运行条件中，例如在500A/cm2的电流密度下，UF上升直至超过IV，这意味着不 可忽略的效率损失。理论上，可使用肖特基二极管作为替换方案。与PN 二极管相比，肖特基二极管具 有显著更低的导通电压，例如在500A/cm2的高电流密度时为0. 5V到0. 6V。此外，作为多数 载流子部件的肖特基二极管在快速开关运行时具有优势。然而，迄今在机动车发电机系统 中未使用肖特基二极管。这源于肖特基二极管的一些决定性缺点1)与PN 二极管相比更 大的反向电流，2)反向电流对反向电压的极大依赖性，以及3)差的鲁棒性，尤其是在高温 工作时。存在改进肖特基二极管的各种建议。其中一个建议是例如在EP 0 707744 B1或者 DE 694 28 996 T2中所描述的TMBS(沟槽式M0S势垒肖特基二极管)。如
图1所示，TMBS 由n+衬底1、n外延层2、至少两个在n外延层2中通过刻蚀实现的沟槽(Trenchs) 6、芯片 正面上的作为阳极电极的金属层4和芯片背面上的作为阴极电极的金属层5以及在沟槽6 与金属层4之间的氧化层7组成。从电的角度来看TMBS是M0S结构(金属层4、氧化层7 和n外延层2)与肖特基二极管(作为阳极的金属层4与作为阴极的n外延层2之间的肖 特基势垒)的组合。电流在流动方向上流过沟槽6之间的台型结构区域。沟槽6本身并不用于电流流 动。因此，与传统的平面型肖特基二极管相比，TMBS中在流动方向上用于电流流动的有效 面积更小。TMBS的优点在于反向电流的减小。在反向方向上，既在M0S结构中又在肖特基 二极管中形成空间电荷区。这些空间电荷区随着电压的升高而扩展并且在小于TMBS的击 穿电压的电压下在相邻沟槽6之间的区域的中心处接合。由此屏蔽了导致高的反向电流的 肖特基效应并且减小了反向电流。所述屏蔽效果极大地取决于结构参数Dt (沟槽的深度)、 Wm(沟槽之间的距离)、Wt (沟槽的宽度)以及To (氧化层的厚度)，参见图1。一种已知的用于制造TMBS的方式是通过刻蚀n外延层2来实现沟槽6、生长氧 化层7以及用金属来填充这些沟槽。只要沟槽的深度Dt显著大于沟槽之间的距离Wm，则 空间电荷区在沟槽之间的台型结构区域中的扩展是准一维的。然而，TMBS的决定性缺点在 于M0S结构的不足。在击穿时，在氧化层7内并且在n外延层2中直接在氧化层附近产生 非常高的电场。反向电流主要沿着沟槽表面流过M0S结构的准反型层。因此，M0S结构可 能由于“热”载流子从n外延层2注入到氧化层7中而退化并且在一定的运行条件下甚至被毁坏。因为形成反型沟道需要一定的时间(深耗尽)，所以空间电荷区可以在快速开关过 程开始时短时间地继续扩展并因此导致电场强度升高。这可能导致短暂的、不期望的、击穿 中的运行。因此将TMBS用作Z 二极管并且在击穿区域中运行TMBS是不可取的。DE 10 2004 053 760中所建议的TMBS-PN提供了一种用于改善TMBS在击穿运行 中的鲁棒性的替换方案。如图2所示，所述TMBS-PN由n+衬底l、n外延层2、至少两个刻蚀 在n外延层2中的沟槽6、在芯片正面上的作为阳极电极的金属层4和在芯片背面上的作为 阴极电极的金属层5以及沟槽6的侧壁与金属层4之间的氧化层7组成。沟槽8的下部区 域用P掺杂的硅或多晶硅填充。特别是金属层4还可以由两个不同的、相叠放置的金属层 组成或者由多晶硅与金属的组合组成。清楚起见，这未在图2中示出。从电的角度来看，TMBS-PN是M0S结构(金属层4、氧化层7和n外延层2)、肖特 基二极管(作为阳极的金属层4与作为阴极的n外延层2之间的肖特基势垒)以及PN 二 极管(作为阳极的P槽8与作为阴极的n外延层2之间的PN结)的组合。在TMBS-PN中， 如果肖特基二极管4、2的导通电压比PN二极管的导通电压小得多，则电流在流动方向上如 同在传统TMBS中那样仅仅流过肖特基二极管。在反向方向上，在M0S结构、肖特基二极管以及PN 二极管中形成空间电荷区。这些 空间电荷区随着电压的升高而扩展并且在小于TMBS-PN的击穿电压的电压下在相邻沟槽6 之间的区域的中心处接合。由此屏蔽了导致大的反向电流的肖特基效应并且减小了反向电 流。所述屏蔽效果极大地取决于结构参数Dox (具有氧化层的沟槽部分的深度)、Wm(沟槽 之间的距离)、Wt (沟槽或p槽的宽度)、Dp (具有p掺杂的硅或多晶硅的沟槽部分的深度， 等于P槽的厚度)以及To (氧化层的厚度)，参见图2。TMBS-PN具有与TMBS类似的肖特基效应的屏蔽作用，但通过箝位功能附加地提供 高鲁棒性。PN 二极管的击穿电压BV_pn被如此设计，使得BV_pn低于肖特基二极管的击穿 电压BV_Schottky并且低于M0S结构的击穿电压BV_mos并且在沟槽的底部发生击穿。因 此，在击穿运行中，反向电流如同TMBS中那样仅仅流过PN结而不流过M0S结构的反型层。 因此TMBS-PN具有与PN 二极管类似的鲁棒性。此外，在TMBS-PN中不需要担心“热”载流 子的注入，因为在击穿时高场强不在M0S结构附近。因此TMBS-PN非常适合作为Z功率二 极管应用于机动车发电机系统中。
发明内容
本发明的核心在于具有高鲁棒性和更小导通电压的、适合作为Z功率二极管应用 于机动车发电机系统中的肖特基二极管以及制造这种肖特基二极管时的简单的过程控制。根据本发明的肖特基二极管是具有作为箝位元件的、集成的衬底PN 二极管的 TMBS。以下将其简称为“TMBS-Sub-PN”。现在，p槽在根据本发明的肖特基二极管中一直延伸至n+衬底。TMBS-Sub-PN的 击穿电压由P槽与n+衬底之间的pn结确定。在此，如此选择p槽的设计，使得衬底PN 二 极管的击穿电压BV_pn低于肖特基二极管的击穿电压BV_Schottky并且低于M0S结构的击 穿电压BV_mos。在击穿时，氧化层中的电场比传统TMBS中的情形低得多。此外，反向电流 主要流过衬底PN 二极管而不是M0S结构的反型层。根据本发明的肖特基二极管具有如下优点与传统的TMBS相比，通过衬底PN二极管的箝位功能实现了高鲁棒性。因此，根据本发明的肖特基二极管以有利的方式适合作为Z 二极管应用于机动车发电机系统中，其在氧化层处具有更小的场强。与TMBS和TMBS-PN相比，根据本发明的肖特基二极管由于更薄的外延层而具有更小的导通电压并且因此具有更小的体电阻。与TMBS-PN相比，在制造根据本发明的肖特基二极管时进行有利的、更简单的过程控制。具有替换方案的建议的结构和功能的详细描述附1和2示出已由现有技术公开的实施方式。在此，图1中示出了沟槽式MOS势垒肖特基二极管(TMBS)并且图2中示出了在沟槽的下部区域中具有ρ掺杂的硅或多晶硅的TMBS-PN。图3中示出了本发明的TMBS-Sub-PN的实施例。如图3所示，本发明的TMBS-Sub-PN由η+衬底1、η外延层2、至少两个被刻蚀穿过η外延层2直至η.衬底1的沟槽6、在芯片正面上的作为阳极电极的金属层4和在芯片背面上的作为阴极电极的金属层5以及沟槽6的侧壁上的厚度为To的氧化层7组成，其中，沟槽6具有宽度Wt、深度Dt以及相邻沟槽6之间的距离Wm。用ρ掺杂的硅或多晶硅填充沟槽8中氧化层7之间的区域，并且在沟槽8的上部区域中具有用于与金属层4欧姆接触的、附加的、薄的P+层9。从电的角度来看，TMBS-Sub-PN是一个MOS结构、肖特基二极管以及衬底PN二极管的组合，其中，MOS结构即金属层4结合ρ槽8、氧化层7和η外延层2，肖特基二极管具有作为阳极的金属层4与作为阴极的η外延层2之间的肖特基势垒，衬底PN 二极管的PN结位于作为阳极的P槽8与作为阴极的η+衬底1之间。P槽8被如此设计，使得TMBS-Sub-PN的击穿电压由P槽8与η+衬底1之间的PN结确定。此外还应当避免柔滑的反向特征曲线，其方式是如此选择P槽8的掺杂和几何形状，使得空间电荷区在反向情形中不延伸至沟槽的表面。如果TMBS-Sub-PN的导通电压大大小于衬底PN 二极管的导通电压，则在TMBS-Sub-PN中电流在流动方向上仅仅流过肖特基二极管，如在传统的TMBS中或TMBS-PS中那样。在反向方向上，在MOS结构、肖特基二极管以及衬底PN 二极管中形成空间电荷区。这些空间电荷区随着电压的升高既在外延层2中扩展又在ρ槽8中扩展，并且在小于TMBS-Sub-PN的击穿电压的电压下在相邻沟槽6之间的区域的中心处接合。由此屏蔽了导致高反向电流的肖特基效应(Barrier Lowering 势垒降低)并且减小了反向电流。此屏蔽效果主要由MOS结构决定并且极大地取决于结构参数Dt (沟槽的深度)、Wm (沟槽之间的距离)、Wt (沟槽的宽度)以及To (氧化层的厚度)，参见图3。 TMBS-Sub-PN具有与TMBS类似的对肖特基效应的屏蔽作用，但附加地通过箝位功能来提供高鲁棒性。衬底PN 二极管的击穿电压BV_pn被如此设计，使得BV_pn低于肖特基二极管的击穿电压BV_schottky以及MOS结构的击穿电压BV_mos并且在ρ槽8与n+衬底1之间的衬底PN结处发生击穿。因此，在击穿运行中，反向电流仅仅流过衬底PN结而不流过MOS结构的反型层，如同在TMBS中那样。因此，TMBS-Sub-PN具有与PN 二极管类似的鲁棒性。此外，在TMBS-Sub-PN击穿时氧化层中的场强比传统的TMBS的1/3更小，如22V 二极管的器件仿真所示。因此TMBS-Sub-PN良好地适合作为Z二极管应用于机动车发电机系统中。
与TMBS-PN相比，本发明的TMBS-Sub-PN表现出更小导通电压，因为TMBS-Sub-PN的击穿电压不是由P槽8与η外延层2之间的ρη结确定的(参见图2)，而是由ρ槽8与η+ 衬底1之间的衬底PN结确定的(参见图3)。省去了在TMBS-PN中存在的、位于ρ区域8与 η+衬底1之间的η掺杂的外延层的部分。因此，在TMBS-Sub-PN中，为了实现相同的击穿电 压，总外延厚度——并且因此体电阻——更小。这有利地在前向运行时起更小的导通电压 的作用。与TMBS-PN相比，TMBS-Sub-PN的另一优点在于简单得多的过程控制。具有作为 箝位元件的、集成的衬底PN 二极管的TMBS-Sub-PN或者TMBS可以在用于功率MOS的标准 沟槽工艺中通过较小的修改来制造。一种可能的TMBS-Sub-PN制造方法可以如下进行_作为原材料的η+衬底-外延附生-直至η+衬底的沟槽刻蚀-沟槽表面的氧化-在沟槽的底部处刻蚀氧化层-用ρ掺杂的硅或多晶硅填充沟槽-在沟槽的上部区域中扩散薄的ρ+层-正面和背面上的金属化TMBS-Sub-PN还可以在芯片的边缘区域中具有用于减少边缘场强的附加结构。这 可以例如是低掺杂的P区域、场板或者与现有技术类似的相应结构。
权利要求
具有一沟槽式MOS势垒肖特基二极管的半导体装置，所述沟槽式MOS势垒肖特基二极管包括肖特基二极管、MOS结构以及作为箝位元件的PN二极管的至少一个组合，其特征在于，所述PN二极管被构造为集成的衬底PN二极管并且所述衬底PN二极管的击穿电压(BV_pn)低于所述肖特基二极管的击穿电压(BV_schottky)并且低于所述MOS结构的击穿电压(BV_mos)。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述装置可以在击穿中以高电流 运行。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置被作为Z 二极 管、尤其是具有约20V的击穿电压的Z 二极管应用于机动车发电机系统中。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，一n外延层(2) 位于n+衬底(1)上并且用作阴极区，在二维示图中存在至少两个被刻蚀穿过所述n外延层 (2)直至所述n+衬底(1)的沟槽(6)以及位于所述沟槽(6)的侧壁上的氧化层(7)，所述 沟槽(6)中的、所述氧化层(7)之间的区域(8)是用p掺杂的硅或多晶硅填充的并且用作 所述衬底PN 二极管的阳极区，并且薄的p+层(9)位于所述沟槽(8)的上部区域中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，一金属层(5)位于芯 片背面上并且用作阴极电极，并且一金属层(4)位于芯片正面上，具有与p+层(9)的欧姆 接触和具有与所述n外延层(2)的肖特基接触并且用作阳极电极。
6.根据以上权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述沟槽(6)被刻蚀 穿过所述n外延层(2)直至所述n+衬底(1)并且具有一矩形形状、一 U形形状或者一另外 的、可预先给定的、可选择的形状。
7.根据以上权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述p槽(8)被如此 设计，使得在所述P槽(8)与所述n+衬底(1)之间的结处不发生穿通效应而发生所述衬底 PN 二极管的击穿。
8.根据以上权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，金属化由两个或更多 个相叠放置的金属层组成。
9.根据以上权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述沟槽(6)被设置 在带状布局中或者被设置为岛。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述岛被设计成圆形、六角形或 者可预先给定的形状。
全文摘要
半导体装置，具有一个具有作为箝位元件的、集成的衬底PN二极管的沟槽式MOS势垒肖特基二极管(TMBS-Sub-PN)，其特别适合作为具有约20V的击穿电压的Z功率二极管应用于机动车发电机系统中，其中TMBS-Sub-PN由肖特基二极管、MOS结构以及PN二极管的一个组合组成并且衬底PN二极管的击穿电压BV_pn低于肖特基二极管的击穿电压BV_schottky并且低于MOS结构的击穿电压BV_mos。
文档编号H01L29/06GK101803032SQ200880107842
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月15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