專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的半導(dǎo)體裝置及用于其制造的方法。該類型的半導(dǎo)體裝置涉及一種結(jié)-勢壘-肖特基-二極管，它具有一種溝槽結(jié)構(gòu)(Grabenstruktur)。該半導(dǎo)體裝置特別好地適合在汽車的車載電網(wǎng)中用作Z二極管(齊納二極管)。
在現(xiàn)代的汽車中越來越多的功能用電子部件實現(xiàn)。由此對于電功率產(chǎn)生越來越大的需求。為滿足該需求，必須提高汽車內(nèi)的發(fā)電機系統(tǒng)的效率。迄今在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中一般把PN二極管用作Z二極管。PN二極管的優(yōu)點一方面是低的截止電流，另一方面是高的堅固性(Robustheit)。然而主要的缺點是較高的導(dǎo)通電壓UF。在室溫下僅在約0.7V的導(dǎo)通電壓UF下電流才開始流通。在正常的運行條件下，其中電流密度約為500A/cm2，導(dǎo)通電壓UF上升到超過1V。這導(dǎo)致效率的逆轉(zhuǎn)。
根據(jù)理論上的考慮，肖特基二極管可以考慮作為替代方案。亦即肖特基二極管比PN二極管具有顯著低的導(dǎo)通電壓。例如在電流密度約為500A/cm2的情況下肖特基二極管的導(dǎo)通電壓約為0.5V到0.6V。此外，肖特基二極管作為多數(shù)載流子組件在快速的開關(guān)工作時提供優(yōu)點。然而就已知的而言，肖特基二極管在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中的使用迄今尚未實現(xiàn)。這可能歸咎于肖特基二極管的一些重要的缺點，它們使得這種應(yīng)用顯得尚為遙遠。首先，肖特基二極管比PN二極管具有較高的截止電流。此外該截止電流強烈取決于截止電壓。最后肖特基二極管表示出一種差的堅固性，特別是在高溫下。這些缺點迄今阻礙肖特基二極管在汽車應(yīng)用中使用。
由T.Sakai等人發(fā)表的“Experimental investigation of dependence ofelectrical characteristics on device parameters in Trench MOS BarrierSchottky Diodes”，Proceedings of 1998 International Symposium on PowerSemiconductors&ICs，京都，第293-296頁；S.Kunori等人發(fā)表的“Lowleakage current Schottky barrier diode”，Proceedings of 1992 InternationalSymposium on Power Semiconductors&ICs，京都，第80-85頁；以及從DE 19 749 195 A1中已知為改善肖特基二極管的特征的措施，其導(dǎo)致了所謂的JBS(JBS＝Junction-Barrier-Schottky-Diode)或者所謂的TMBS(TMBS＝Trench-MOS-Barrier-Schottky-Diode)。在JBS中，通過適當?shù)卮_定規(guī)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小至少部分地屏蔽引起高截止電流的肖特基效應(yīng)并且由此減小截止電流。然而例如通過更深的p擴散在更大的程度上的屏蔽是不實際的，因為擴散區(qū)同時在側(cè)方向上也將進一步擴展。但是由此以不利的方式進一步減小了為在導(dǎo)通方向上電流流動可用的面積。TMBS的優(yōu)點在于可能減小截止電流。在此截止電流主要通過二極管的MOS結(jié)構(gòu)的準反型層沿在二極管結(jié)構(gòu)中制造的溝槽(Grabens)的表面流動。其結(jié)果是，MOS結(jié)構(gòu)可通過由n-外延層至氧化物層注入所謂的“熱”載流子惡化，并且在特別不利的情況條件下甚至被損壞。因為為建立反型溝道需要一定的時間，所以空間電荷區(qū)在快速開關(guān)過程開始時短時間地進一步擴寬，所以電場強度上升。這能夠?qū)е露O管在擊穿中短時的、不希望的工作。因此很少推薦在截止電流方面改善了的TMBS作為Z二極管使用和在擊穿區(qū)域內(nèi)工作。
發(fā)明優(yōu)點具有權(quán)利要求1的特征的本發(fā)明建議一種半導(dǎo)體裝置，其具有低的導(dǎo)通電壓、低的截止電流和大的堅固性。
它特別提供這樣的優(yōu)點，通過一個p摻雜的硅區(qū)來代替敏感的氧化物層，不再發(fā)生所謂的“熱”載流子的注入。這通過下述方式實現(xiàn)，即在擊穿時產(chǎn)生的高的場強不在敏感的氧化物層附近存在，因為集成的PN二極管的擊穿電壓比肖特基二極管和MOS結(jié)構(gòu)的擊穿電壓低。因此根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體裝置的特征在于特別大的堅固性，這使得該半導(dǎo)體裝置能夠在汽車的車載電網(wǎng)特別是在車載電網(wǎng)的發(fā)電機系統(tǒng)中可靠地使用。特別有利的是半導(dǎo)體裝置在幾個10V的數(shù)量級的擊穿電壓和幾百A/cm2的電流密度的情況下可以可靠地被使用。特別有利的是，半導(dǎo)體裝置的第一實施變型方案包括一個n+襯底，其上設(shè)置一個n層，其內(nèi)制造多條溝槽。這些溝槽完全用p摻雜材料填充，所述材料在那里形成p摻雜區(qū)。n+襯底和n層各載有一個接觸層。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第二實施變型方案包括一個n+襯底，其上設(shè)置一個n層，其內(nèi)制造有多條溝槽。這些溝槽完全用p摻雜區(qū)域覆蓋。n+襯底和n層載有接觸層。
本發(fā)明的其他的優(yōu)點和擴展方案、以及用于這些制造半導(dǎo)體裝置的有利的方法由其他的從屬權(quán)利要求結(jié)合說明和附圖得到。
附圖下面參考附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。附圖中

圖1示出傳統(tǒng)的結(jié)-勢壘-肖特基二極管；圖2示出傳統(tǒng)的溝槽(Trench)-MOS-勢壘-肖特基二極管；圖3示出本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第一實施例；圖4示出本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第二實施例；圖5示出本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第三實施例；圖6示出本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第四實施例；圖7示出本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的第五實施例；圖8示出第一制造方法的流程圖；
圖9示出第二制造方法的流程圖；圖10示出第三制造方法的流程圖；圖11示出第四制造方法的流程圖；實施例描述下面首先簡短說明已知的半導(dǎo)體裝置，以便更好地突出可用本發(fā)明實現(xiàn)的優(yōu)點。首先圖1示出一個傳統(tǒng)JBS(Junction-Barrier-Schottky-Diode，結(jié)-勢壘-肖特基二極管)形式的半導(dǎo)體裝置10，它包括一個n+襯底1、一個n層2、至少兩個擴散至n層2中的p阱3和在芯片的正面和背面上的接觸層4和5。從電的角度看，JBS是PN二極管(在作為陽極的p阱3和作為陰極的n層2之間的PN結(jié))和肖特基二極管(在作為陽極的接觸層4和作為陰極的n層2之間的肖特基勢壘)的組合。在芯片背面上的接觸層5用作陰極，在芯片正面上的接觸層4用作陽極，其與p阱3歐姆接觸，并同時作為與n層2的肖特基接觸。由于與PN二極管相比肖特基二極管導(dǎo)通電壓小，因此在導(dǎo)通方向電流僅通過肖特基二極管區(qū)域流動。因此在JBS的情況下用于在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積(每一面積單元)顯著小于在常規(guī)的平面肖特基二極管的情況。在截止方向，這些空間電荷區(qū)隨電壓上升擴展，并在一個小于JBS擊穿電壓的電壓下在相鄰的p阱3之間的區(qū)域的中心相遇。由此部分地屏蔽引起高截止電流的肖特基效應(yīng)，并由此減小截止電流。該屏蔽效應(yīng)強烈取決于一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如Xjp(p擴散的滲入深度)、Wn(p阱之間的距離)以及Wp(p阱的寬度)。實現(xiàn)JBS的p阱的一般技術(shù)是p注入和接著的p擴散。通過在x方向的橫向擴散，其深度與在y方向的垂直擴散相似，在二維表示中形成圓柱體的p阱(在垂直于x-y平面的z方向上無限長度)，其半徑相應(yīng)于滲入深度Xjp。然而由于空間電荷區(qū)的徑向擴展p阱的該形狀未表現(xiàn)出對肖特基效應(yīng)的非常有作用的屏蔽。也不可能只是通過更深的p擴散來加強屏蔽作用，因為同時橫向的擴散也相應(yīng)地變寬。此外，還可以想到進一步減小在p阱之間的距離Wn。由此雖然屏蔽作用被加強，但是為在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積進一步減小。
圖2同樣示出一種已知的半導(dǎo)體裝置20，亦即所謂的TMBS二極管，在下面被簡稱為“TMBS”(Trench-MOS-Barrier-Schottky-Diode)。首先研究這種TMBS的結(jié)構(gòu)，以便與半導(dǎo)體裝置20比較也能顯著突出用本發(fā)明實現(xiàn)的優(yōu)點。半導(dǎo)體裝置20由一個n+襯底1和一個設(shè)置在該n+襯底上的n層2組成。在該n層2中制造通常也稱為“trenchs(溝槽)”的溝槽7。溝槽7的底面和壁用氧化物層6覆蓋。TMBS 20的正面上的金屬層4用作陽極電極。TMBS 20背面上的金屬層5用作陰極。從電的角度看，TMBS20是MOS結(jié)構(gòu)(金屬層4、氧化物層6和n層2)和肖特基二極管的組合。肖特基勢壘在此位于作為陽極的金屬層4和作為陰極的n層2之間。
在導(dǎo)通方向上電流流過TMBS 20的由溝槽7圍起來的臺面區(qū)2.1。這些溝槽7自身不可用于電流流過。因此用于在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積在TMBS的情況下小于常規(guī)的平面肖特基二極管的情況。這種TMBS 20的優(yōu)點在于減小的截止電流。在截止方向上無論在MOS結(jié)構(gòu)還是在肖特基二極管中都建立空間電荷區(qū)。這些空間電荷區(qū)隨電壓上升擴展，并在一個小于TMBS 20的擊穿電壓的電壓下在相鄰的溝槽7之間的臺面區(qū)2.1的中心相遇，由此屏蔽了引起高的截止電流的肖特基效應(yīng)，從而減小截止電流。這種屏蔽效應(yīng)強烈取決于TMBS的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如Dt(溝槽7的深度)、Wm(溝槽7之間的距離)、Wt(溝槽7的寬度)、以及To(氧化物層6的厚度)。對于肖特基效應(yīng)的屏蔽作用因此在TMBS的情況下與具有擴散的p阱的JBS相比明顯更有效。然而已知TMBS的一個決定性的缺點在于MOS結(jié)構(gòu)的脆弱性。在擊穿時在氧化物層6中出現(xiàn)非常大的電場并且緊靠n層2中的氧化物層6的附近。截止電流主要通過MOS結(jié)構(gòu)的準反型層沿溝槽7的表面流動。結(jié)果MOS結(jié)構(gòu)可能通過從n層2向氧化物層6注入“熱”載流子而惡化，并在一定的不利的工作條件下甚至被損壞。因為為建立反轉(zhuǎn)溝道需要一定的時間(deep depletion(深耗盡))，所以空間電荷區(qū)在快速開關(guān)過程開始時能夠短時地繼續(xù)擴展，因此使電場強度進一步增加。這能夠?qū)е露虝r的不希望的在擊穿中的運行。因此極少把TMBS作為齊納二極管使用和在擊穿區(qū)域運行。
對此本發(fā)明建議新型的半導(dǎo)體裝置，其特征在于低的導(dǎo)通電壓、低的截止電流和高的堅固性。在此涉及一種帶有溝槽結(jié)構(gòu)的結(jié)-勢壘-肖特基二極管(JBS)，它也可以稱為溝槽-結(jié)-勢壘-肖特基二極管(TJBS)。
代替例如在常規(guī)JBS的情況中的具有較大滲入深度(例如Xjp＞1μm)的p擴散，TJBS的p阱通過蝕刻出溝槽并接著用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽來實現(xiàn)。作為變型方案，TJBS的p溝槽也可以通過蝕刻并接著結(jié)合淺的硼擴散例如Xjp＜0.2μm進行硼涂敷(Bor-Belegung)來實現(xiàn)。PN二極管的擊穿電壓BV_Pn在此適當設(shè)計得小于肖特基二極管的擊穿電壓BV_schottky。TJBS具有在導(dǎo)通方向上的高的可通流性，在截止方向上對肖特基效應(yīng)的高的屏蔽作用并因此具有低的截止電流，由于PN二極管的箝位功能(Klammerfunktion)和溝槽底部上的擊穿而具有高的堅固性。因此它特別適合作為Z二極管用于汽車發(fā)電機系統(tǒng)中。
在本發(fā)明的第一實施變型方案中，涉及一種帶有填充的溝槽的TJBS的構(gòu)型的半導(dǎo)體裝置30，其在下面參考圖3詳細說明。如圖3所示，半導(dǎo)體裝置30包括一個n+襯底1、一個設(shè)置在該n+襯底1上的n層2、以及至少兩個制造到n層2中的、也稱為“trenchs”的溝槽7。此外在半導(dǎo)體裝置30的正面和背面設(shè)置接觸層4、5，它們用作陽極電極和陰極電極。溝槽7優(yōu)選通過蝕刻方法形成。接觸層4、5優(yōu)選由金屬構(gòu)成。特別是金屬層4也可以由兩種不同的、彼此疊置的金屬層組成。溝槽7用p摻雜的Si或者多晶Si填充，以便產(chǎn)生p摻雜區(qū)8。從電的角度看，半導(dǎo)體裝置30 TJBS是PN二極管(作為陽極的p摻雜區(qū)8和作為陰極的n層2之間的PN結(jié))和肖特基二極管(在作為陽極的接觸層4和作為陰極的n層2之間的肖特基勢壘)的組合。和在常規(guī)的結(jié)-勢壘-肖特基二極管中一樣，在該二極管的導(dǎo)通方向上的電流僅通過肖特基二極管流動。然而由于沒有橫向的p擴散，所以在溝槽-結(jié)-勢壘-肖特基二極管中用于在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積和在溝槽-MOS-勢壘-肖特基二極管中相似，比在常規(guī)的結(jié)-勢壘-肖特基二極管中的顯著大。在截止方向，空間電荷區(qū)隨電壓上升而擴展，并在一個比溝槽-結(jié)-勢壘-肖特基二極管的擊穿電壓小的電壓下在相鄰的p摻雜區(qū)8之間的區(qū)域的中心相遇。和在結(jié)-勢壘-肖特基二極管的情況下一樣，由此屏蔽引起高截止電流的肖特基效應(yīng)并由此減小截止電流。該屏蔽效應(yīng)強烈取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如Dt(溝槽7的深度)、Wn(溝槽7之間的距離)以及Wp(溝槽7的寬度)。為了在TJBS中實現(xiàn)溝槽7，取消了p擴散。由此沒有像在常規(guī)JBS中的橫向p擴散的負作用。在溝槽7之間的臺結(jié)構(gòu)區(qū)2.1中的空間電荷區(qū)的準一維擴展可容易地實現(xiàn)，因為溝槽7的深度Dt(對于肖特基效應(yīng)的屏蔽重要的結(jié)構(gòu)參數(shù))不再與用于在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積相關(guān)。對于肖特基效應(yīng)的屏蔽類似于在TMBS的情況，從而比在具有擴散的p阱的傳統(tǒng)的JBS情況下顯著有效。另一方面，TJBS通過借助PN二極管現(xiàn)在產(chǎn)生的箝位功能來提供高的堅固性。PN二極管的擊穿電壓BV_Pn這樣設(shè)計，使得它比肖特基二極管的擊穿電壓BV_schottky低。此外，擊穿在溝槽7的底部發(fā)生。在擊穿運行中截止電流則僅通過PN二極管的PN結(jié)流動。由此導(dǎo)通方向和截止方向在幾何結(jié)構(gòu)上分開。由此TJBS具有和PN二極管相似的堅固性。為了實現(xiàn)TJBS形式的半導(dǎo)體裝置30，優(yōu)選斷續(xù)(abrupter)的PN結(jié)。此外避免像在“Cool Schottky-Diode(冷肖特基二極管)”的情況下的載流子補償，因為這里首先不考慮高截止的二極管，而是考慮具有幾十伏特數(shù)量級、特別是大約20V-40V的擊穿電壓的Z二極管。此外，在TJBS中不發(fā)生“熱”載流子的注入，因為不存在MOS結(jié)構(gòu)。因此TJBS特別好地適合作為Z二極管使用在汽車的車載電網(wǎng)中，特別是適合使用在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中。
下面說明半導(dǎo)體裝置30的一種有利的制造方法。在這一方面也參考在圖8中表示的流程圖。從一個n+襯底1開始(步驟80)。在該n+襯底1上施加一個n層2(步驟81)。這優(yōu)選通過外延工藝實現(xiàn)。在下一步驟82中在n層2中蝕刻溝槽7。接著用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽7(步驟83)。在另一步驟84中在半導(dǎo)體裝置30的正面和背面上施加優(yōu)選由金屬構(gòu)成的接觸層4和5。
下面參考圖4說明本發(fā)明的另一個實施變型方案。圖4所示的半導(dǎo)體裝置40同樣由一個n+襯底1、一個設(shè)置在其上的n層2、以及至少兩個制造到n層2中的溝槽(Trenchs)7組成。在這些溝槽7內(nèi)設(shè)置有覆蓋溝槽7的底和側(cè)壁的p區(qū)9。此外，在芯片的正面包括溝槽的表面上設(shè)置有接觸層4、5作為陽極電極和陰極電極。特別是接觸層4優(yōu)選可以又由兩種不同的、彼此疊置的金屬層構(gòu)成。在此溝槽7可以完全用第二金屬層填充。然而在本發(fā)明的該實施變型方案中p區(qū)9在溝槽7內(nèi)不通過用p摻雜的Si或者多晶Si填充來實現(xiàn)。而是，p區(qū)通過用p摻雜材料覆蓋溝槽7接著進行淺的擴散來產(chǎn)生。作為p摻雜材料優(yōu)選適宜的是硼。在該半導(dǎo)體裝置40中同樣應(yīng)該實現(xiàn)一個斷續(xù)的PN結(jié)。通過充分并且非常淺的擴散在例如溝槽深度Dt0大約為1到3μm的情況下滲入深度不大于0.2μm，在按照圖4的本實施變型方案中，肖特基效應(yīng)的屏蔽和截止能力與在具有按照圖3填充的溝槽的第一實施變型方案的情況中非常相似。這同樣適合于導(dǎo)通方向上的高通流能力、高堅固性和良好地作為齊納二極管在汽車的車載電網(wǎng)中使用，特別是適于在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中使用。本發(fā)明的該第二實施變型方案相對于在圖3中表示的、本發(fā)明的第一實施變型方案的優(yōu)點是，通過用摻雜材料覆蓋并接著進行擴散比用p摻雜的Si或者多晶Si填充溝槽7更容易制造p區(qū)9。然而該變型方案的缺點是通過具有滲入深度Xjp的p擴散縮小了用于在導(dǎo)通方向上的電流流動的有效面積。然而詳細的研究已表明，對于具有幾個10V數(shù)量級的擊穿電壓的半導(dǎo)體裝置40該缺點實際上可忽略。在具有20V的擊穿電壓的半導(dǎo)體裝置40中在室溫下以及在大約500A/cm2的電流密度下導(dǎo)通電壓僅僅升高大約10mV。
下面說明制造半導(dǎo)體裝置40(按照圖4的實施變型方案)的一種優(yōu)選的方法，在此也參考圖9的流程圖。再從一個n+襯底1開始(步驟90)，在該n+襯底上優(yōu)選通過外延工藝施加一個n層2(步驟91)。通過蝕刻方法在n層2中制造溝槽7(步驟92)。接著用p摻雜材料覆蓋溝槽7的底和側(cè)壁(步驟93)。作為p摻雜材料優(yōu)選使用硼。摻雜材料優(yōu)選由氣相向溝槽7中淀積或者通過離子注入向溝槽7中引入。接著執(zhí)行擴散過程(步驟94)，其中向n層2中擴散硼，形成p區(qū)9。在此，力圖做到特別淺的p擴散。以有利的方式，這可以用快速熱退火(RTA)的技術(shù)實現(xiàn)。緊接著再在半導(dǎo)體裝置40的正面和背面上施加接觸層4和5(步驟95)。
下面參考圖5說明本發(fā)明的另一個實施變型方案。在圖5中表示的半導(dǎo)體裝置50包括一個n+襯底1、一個設(shè)置在該襯底1上的n層2、以及至少兩個引入到該n層2中的溝槽(Trenchs)7。該n層2又優(yōu)選借助外延工藝制造。溝槽7優(yōu)選通過蝕刻工藝產(chǎn)生。此外，半導(dǎo)體裝置50包括接觸層4、5，在正面作為陽極電極，在背面作為陰極電極，它們優(yōu)選用金屬構(gòu)成。特別是，金屬層4也可以由兩個不同的、彼此疊置的金屬層構(gòu)成。然而在本發(fā)明的該實施變型方案中，溝槽7與按照圖3的實施變型方案不同，僅部分地亦即到厚度Dp用p摻雜的Si或者多晶Si 8填充，這樣形成p區(qū)8。從電的角度看來，該實施變型方案同樣是PN二極管(在作為陽極的p摻雜區(qū)8和作為陰極的n層2之間的PN結(jié))和肖特基二極管(在作為陽極的接觸層4和作為陰極的n層2之間的肖特基勢壘)的組合。但是肖特基勢壘在此既在半導(dǎo)體裝置50的表面上也在溝槽7的上部區(qū)域的側(cè)壁上形成，該上部區(qū)域未用p摻雜的Si或者多晶Si填充。半導(dǎo)體裝置50 3的一個優(yōu)點是，由于也與溝槽7的上部區(qū)域的側(cè)壁的肖特基接觸的較大的面積形成的較低的導(dǎo)通電壓。不過這也導(dǎo)致較高的截止電流，這表示一定的缺點。然而在實際中該實施變型方案提供了一種可能，即半導(dǎo)體裝置50可按照個別需求通過按需設(shè)定參數(shù)Dp在導(dǎo)通電壓和截止電流方面被優(yōu)化。
下面說明制造半導(dǎo)體裝置50(按照圖5的實施變型方案)的一種優(yōu)選的方法，在此也參考圖10中的流程圖。又從一個n+襯底1開始(步驟100)，在其上優(yōu)選通過外延施加一個n層2(步驟101)。通過蝕刻法在n層2中制造溝槽7(步驟102)。接著用p摻雜的Si或者多晶Si填充溝槽7。在下一步驟(103)中又部分地去除該引入到溝槽7中的p摻雜的Si或者多晶Si，直至一個保留厚度Dp(步驟104)。這合乎目的地通過蝕刻工藝進行。接著又在半導(dǎo)體裝置50的正面和背面上施加接觸層4和5(步驟105)。
所有先前說明的實施變型方案都能夠在本發(fā)明的一個有利的擴展方案的范圍中各在半導(dǎo)體裝置的邊緣區(qū)內(nèi)還包括用于減小邊緣場強的附加的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以例如由低摻雜的p區(qū)、磁敏元件(Feldplatten)或者類似部件組成。
下面參考圖6說明按照圖3(半導(dǎo)體裝置30)的另一個有利的實施變型方案。它附加地設(shè)置有一個為減小邊緣場強的邊緣結(jié)構(gòu)。那里表示的半導(dǎo)體裝置60的特征是一個寬的溝槽和在半導(dǎo)體裝置的邊緣處的一個深的p擴散。半導(dǎo)體裝置60包括一個n+襯底1。在該n+襯底1上設(shè)置一個n層2。在n層2中制造一個附加的溝槽7b。優(yōu)選地，溝槽7、7b又通過蝕刻法產(chǎn)生。如圖6所示，溝槽7b制造得比溝槽7寬。溝槽7、7b用p摻雜的Si或者多晶Si填充，使得在溝槽7、7b中形成p摻雜區(qū)8、8b。在較寬的溝槽7b上直接地連接一個p摻雜區(qū)10。n+襯底1的背著n層2的一側(cè)又載有接觸層5。在半導(dǎo)體裝置60的正面上同樣施加一個接觸層4。該接觸層4不完全覆蓋半導(dǎo)體裝置的正面。它覆蓋溝槽7、7b、溝槽7、7b旁露出的n層2和p摻雜區(qū)10的僅僅一部分。半導(dǎo)體裝置60的剩余的正面用氧化物層11覆蓋。從而氧化物層11在p摻雜區(qū)10的一部分和其右邊露出的n層2上面延伸。為了實現(xiàn)在半導(dǎo)體裝置60的邊緣比該半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部區(qū)更高的擊穿電壓，優(yōu)選選擇p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge大于溝槽7、7b的深度Dt。此外，這樣地選擇溝槽7b在半導(dǎo)體裝置60的邊緣處的位置和p摻雜區(qū)10的位置，使得p摻雜區(qū)10的一個邊緣區(qū)在較寬的溝槽7b下面結(jié)束，并且不再接觸溝槽7、7b之間的臺結(jié)構(gòu)區(qū)61。p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge應(yīng)大于溝槽7、7b的深度Dt的要求對于導(dǎo)通電壓有一定的負面作用，因為n層2相應(yīng)地必須制造得稍微較厚。然而詳細的研究已表明，為有利地在半導(dǎo)體裝置60的邊緣處實現(xiàn)較高的擊穿電壓，僅需p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge比溝槽7、7b的深度Dt稍大。于是較深得被引入的p摻雜區(qū)10的對于導(dǎo)通電壓的負面作用實際上小到可以忽略。
下面參考圖11表示的流程圖說明用于半導(dǎo)體裝置60的一種優(yōu)選的制造方法。再次從一個n+襯底1開始(步驟110)，在其上優(yōu)選通過外延工藝施加一個n層2(步驟111)。在下一步驟中借助一個相應(yīng)構(gòu)造的掩膜在正面通過用p摻雜材料例如硼的深擴散產(chǎn)生p摻雜區(qū)10(步驟112)。這優(yōu)選可以這樣實現(xiàn)，即用p摻雜材料覆蓋n層2的露出表面的未被該掩膜覆蓋的區(qū)域。這又可以通過淀積氣相的摻雜材料或者通過離子注入實現(xiàn)。接著通過加熱將摻雜材料擴散到位于其下的n層2中。通過蝕刻法在n層2中引入溝槽7、7b(步驟113)，在此溝槽7b制造得比溝槽7寬。接著用p摻雜的Si或者多晶Si填充溝槽7、7b(步驟114)，使得產(chǎn)生p摻雜區(qū)8、8b。緊接著又在半導(dǎo)體裝置60的正面和背面上施加接觸層4和5(步驟115)。這里也推薦掩膜技術(shù)，因為僅僅要在半導(dǎo)體裝置60的正面的部分區(qū)域上覆蓋接觸層4。該表面的剩余部分用氧化物層11鈍化。
下面參考圖7公開另一個有利的實施變型方案。圖7所示的半導(dǎo)體裝置70的特征在于一個寬的溝槽和在半導(dǎo)體裝置的邊緣處的深的P擴散，在此擴散區(qū)一直到達半導(dǎo)體裝置70的邊緣。半導(dǎo)體裝置70包括一個n+襯底1。在該n+襯底1上設(shè)置一個n層2。在n層2中引入溝槽7、7b。優(yōu)選溝槽7、7b再次通過蝕刻法產(chǎn)生。如圖7所示，溝槽7b制造得比溝槽7寬。溝槽7、7b用p摻雜的Si或者多晶Si填充，使得在溝槽7、7b中產(chǎn)生p摻雜區(qū)8、8b。在較寬的溝槽7b上直接連接著一個p摻雜區(qū)10。n+襯底1的背向n層2的一側(cè)又載有一個接觸層5。在半導(dǎo)體裝置70的正面上同樣施加一個接觸層4。為了實現(xiàn)在半導(dǎo)體裝置70的邊緣處的擊穿電壓比該半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部區(qū)域的擊穿電壓高，優(yōu)選選擇p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge大于溝槽7、7b的深度Dt。此外，這樣選擇溝槽7b在半導(dǎo)體裝置70的邊緣處的位置和p摻雜區(qū)10的位置，使得p摻雜區(qū)10的一個邊緣區(qū)在較寬的溝槽7b下面結(jié)束，并且不再接觸溝槽7、7b之間的臺結(jié)構(gòu)區(qū)61。p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge應(yīng)大于溝槽7、7b的深度Dt的要求對于導(dǎo)通電壓有一定的負面作用，因為n層2相應(yīng)必須制造的稍厚。然而詳細的研究已表明，為有利地在半導(dǎo)體裝置70的邊緣處實現(xiàn)較高的擊穿電壓，僅需p摻雜區(qū)10的滲入深度Xjp_edge比溝槽7、7b的深度Dt稍大。于是較深地被引入的p摻雜區(qū)10的對于導(dǎo)通電壓的負面作用實際上小到可以忽略。在該實施變型方案和在圖6中表示的半導(dǎo)體裝置60之間的不同基本在于，在這里p摻雜區(qū)10延伸直到半導(dǎo)體裝置70的邊緣。由此雖然在半導(dǎo)體裝置70的邊緣出現(xiàn)一個“敞開的(offener)”PN結(jié)，其能夠?qū)е螺^高的截止電流。然而通過合適的蝕刻技術(shù)能夠顯著減小該截止電流。在該實施變型方案中有利的是，不需要用于在半導(dǎo)體裝置的正面上設(shè)置接觸層的掩膜。此外，在所謂的壓配合外殼(Press-Fit-Gehaeusen)中提供該半導(dǎo)體裝置的一種特別有利的裝配可能性，因為在該半導(dǎo)體裝置70的表面上沒有敏感的氧化物。
半導(dǎo)體裝置70的一種有利的制造方法類似于已經(jīng)說明的制造半導(dǎo)體裝置60的方法。不同僅僅在于為產(chǎn)生現(xiàn)在一直達到邊緣的p摻雜區(qū)10的掩膜結(jié)構(gòu)。此外為施加接觸層4不需要掩膜，因為接觸層4完全覆蓋半導(dǎo)體裝置70的正面。
參考圖6和圖7說明的邊緣結(jié)構(gòu)能夠以類似的方式有利地也用于參考圖4和圖5說明的半導(dǎo)體裝置。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的半導(dǎo)體裝置的上述實施變型方案有利地適合在汽車的車載電網(wǎng)中作為Z二極管使用，特別適合在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中使用。為此該半導(dǎo)體裝置合乎目的地具有一個處于12V和30V之間的特別是在15V和25V之間的擊穿電壓。特別有利的是該半導(dǎo)體裝置在截止運行中可以用幾百A/cm2數(shù)量級、特別是400A/cm2到大約600A/cm2的大電流密度工作。
參考標號表1 n+襯底2 n摻雜層2.1 臺結(jié)構(gòu)區(qū)61 臺結(jié)構(gòu)區(qū)4 接觸層5 接觸層6 氧化物層7 溝槽7b 溝槽8 p摻雜區(qū)8b p摻雜區(qū)9 p摻雜區(qū)10 p摻雜區(qū)11 氧化物層80 步驟81 步驟82 步驟83 步驟90 步驟
91 步驟92 步驟93 步驟94 步驟95 步驟100步驟101步驟102步驟103步驟104步驟105步驟110步驟111步驟112步驟113步驟114步驟115步驟BV_mos MOS結(jié)構(gòu)的擊穿電壓BV_pn PN二極管的擊穿電壓BV_schottky肖特基二極管的擊穿電壓Dp 厚度Dt0溝槽的深度
To氧化物層的厚度Wm溝槽之間的距離Wn溝槽之間的距離Wt溝槽的寬度Wp0 p區(qū)在掩膜上的寬度Xjp 滲入深度Xjp_edge 滲入深度
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體裝置(30，40，50，60，70)，包括帶有集成的PN二極管的溝槽-結(jié)-勢壘-肖特基二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該PN二極管用作箝位元件。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在包括由肖特基二極管和PN二極管構(gòu)成的組合的半導(dǎo)體裝置(30，40，50，60，70)中所述PN二極管的擊穿電壓(BV_pn)低于所述肖特基二極管的擊穿電壓(BV_schottky)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置在擊穿運行中能夠以幾百A/cm2數(shù)量級、特別是400A/cm2到大約600A/cm2的大電流密度工作。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(30，40，50，60，70)包括一個第一導(dǎo)電類型的襯底(1)，在該襯底(1)上設(shè)置另一第一導(dǎo)電類型的一個層(2)，在該另一第一導(dǎo)電類型的層(2)中設(shè)置有多個溝槽(7，7b)，這些溝槽(7，7b)至少部分地用第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)填充，并且在該半導(dǎo)體裝置(30，40，50，60，70)的正面和背面設(shè)置有接觸層(4，5)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(30)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(30)包括一個n+襯底(1)，在該n+襯底(1)上設(shè)置有一個n層(2)，在n層(2)中設(shè)置有至少兩個溝槽(7)，這些溝槽(7)用p摻雜材料填充以便形成p摻雜區(qū)(8)，n+襯底(1)和n層(2)各載有一個接觸層(4，5)，其中所述接觸層(4，5)整面覆蓋該半導(dǎo)體裝置(30)的正面和背面。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(40)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(40)包括一個n+襯底(1)，在該n+襯底(1)上設(shè)置有一個n層(2)，在n層(2)中設(shè)置有至少兩個溝槽(7)，這些溝槽(7)的壁和底用p摻雜材料覆蓋以便形成p摻雜區(qū)(9)，并且該n+襯底(1)和該n層(2)各載有一個接觸層(4，5)，其中接觸層(5)整面覆蓋該半導(dǎo)體裝置(40)的背面，及其中接觸層(4)整面覆蓋該半導(dǎo)體裝置的正面并填充這些溝槽(7)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述p摻雜區(qū)(9)通過擴散產(chǎn)生。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述p摻雜區(qū)(9)的厚度約為0.2μm。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，這些溝槽(7)的深度(Dto)約為1到3μm。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置具有一個斷續(xù)的PN結(jié)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(50)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(50)包括一個n+襯底(1)，在該n+襯底(1)上設(shè)置有一個n層(2)，在該n層(2)中設(shè)置有至少兩個溝槽(7)，這些溝槽(7)最多部分地用一種p摻雜物質(zhì)這樣充滿，使得在這些溝槽(7)中設(shè)置具有厚度(Dp)的p摻雜區(qū)(8)，及該n+襯底(1)和n層(2)載有接觸層(4，5)，其中接觸層(4)完全覆蓋該半導(dǎo)體裝置(50)的正面并且完全填充溝槽(7)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(60)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(60)包括一個n+襯底(1)，在該n+襯底(1)上設(shè)置一個n層(2)，在該n層(2)中設(shè)置有多個溝槽(7，7b)，這些溝槽(7，7b)用一種p摻雜物質(zhì)這樣充滿，使得在溝槽(7，7b)中設(shè)置p摻雜區(qū)(8，8b)，在溝槽(7b)上連接著一個另外的p摻雜區(qū)(10)，該另外的p摻雜區(qū)(10)到n層(2)中的滲入深度(Xjp_edge)大于溝槽(7，7b)的深度(Dt)，以及該n+襯底(1)和n層(2)載有接觸層(4，5)，其中接觸層(4)最多部分地覆蓋該半導(dǎo)體裝置(60)的正面。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(60)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(60)的正面的未被接觸層(4)覆蓋的部分區(qū)域用氧化物層(11)覆蓋。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(70)，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置(70)包括一個n+襯底(1)，在該n+襯底(1)上設(shè)置有一個n層(2)，在n層(2)中設(shè)置有多個溝槽(7，7b)，這些溝槽(7，7b)用一種p摻雜物質(zhì)這樣充滿，使得在溝槽(7，7b)中設(shè)置p摻雜區(qū)(8，8b)，在溝槽(7b)上連接著一個另外的p摻雜區(qū)(10)，該另外的p摻雜區(qū)(10)至n層(2)中的滲入深度(Xjp_edge)大于溝槽(7，7b)的深度(Dt)并且該另外的p摻雜區(qū)(10)一直達到該半導(dǎo)體裝置(70)的邊緣，該n+襯底(1)和n層(2)載有接觸層(4，5)，其中接觸層(4，5)完全覆蓋該半導(dǎo)體裝置(70)的正面和背面。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置的擊穿電壓由所述PN二極管的擊穿電壓(BV_pn)確定，該極管由p摻雜區(qū)(8，9，10)和n層(2)形成。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述p摻雜區(qū)(8，8b)由p摻雜的硅或者多晶Si構(gòu)成。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述p摻雜區(qū)(9，10)通過擴散工藝產(chǎn)生。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，這些接觸層(4，5)由金屬構(gòu)成。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，這些接觸層(4，5)由多層構(gòu)成。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置這樣構(gòu)成，使得在PN二極管擊穿的情況下?lián)舸﹥?yōu)選發(fā)生在溝槽(7，7b)的底部區(qū)域。
22.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，這些溝槽(7)條狀或者島狀地構(gòu)成。
23.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置的應(yīng)用，用作Z二極管。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置的應(yīng)用，用在汽車的車載電網(wǎng)中，特別是在汽車的發(fā)電機系統(tǒng)中。
25.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，該半導(dǎo)體裝置具有在10V和50V之間特別是在12V和40V之間的擊穿電壓。
26.制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(30)的方法，其特征在于，將一個n層施加到一個n+襯底上，將一些溝槽(7)加工到該n層(2)中，為了形成p摻雜區(qū)(8)用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽(7)，并且將該n+襯底(1)和n層(2)以及p區(qū)(8)用接觸層(4，5)覆蓋。
27.制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(40)的方法，其特征在于，將一個n層(2)施加到一個n+襯底(1)上，將一些溝槽(7)加工到n層(2)中，為了形成p摻雜區(qū)(9)使p摻雜材料擴散到這些溝槽(7)的壁和底中，及將該n+襯底(1)和n層(2)用接觸層(4，5)覆蓋，其中將這些溝槽(7)用接觸層(4)的材料完全填充。
28.制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(50)的方法，其特征在于，將一個n層(2)施加到一個n+襯底(1)上，將一些溝槽(7)加工到n層(2)中，為了形成p摻雜區(qū)(8)最多部分地用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽(7)，并且將該n+襯底(1)和n層(2)用接觸層(4，5)覆蓋，其中接觸層(4)完全填充這些溝槽(7)。
29.制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(60)的方法，其特征在于，將一個n層(2)施加到一個n+襯底(1)上，將一些溝槽(7)加工到n層(2)中，為了形成p摻雜區(qū)(8)用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽(7，7b)，將一個另外的p摻雜區(qū)(10)直接加工到n層(2)中溝槽(7b)旁邊，其中該區(qū)(10)的滲入深度(Xjp_edge)大于溝槽(7，7b)的深度(Dt)，并且將該n+襯底(1)和n層(2)用接觸層(4，5)覆蓋，其中該接觸層(4)僅僅部分地覆蓋該半導(dǎo)體裝置(60)的正面，并且將該正面未被該接觸層(4)覆蓋的區(qū)域用一個氧化物層(11)覆蓋。
30.制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體裝置(70)的方法，其特征在于，將一個n層(2)施加到一個n+襯底(1)上，將一些溝槽(7，7b)加工到n層(2)中，為了形成p摻雜區(qū)(8)用p摻雜的Si或者多晶Si填充這些溝槽(7，7b)，將一個另外的p摻雜區(qū)(10)直接加工到該n層(2)中溝槽(7b)旁邊，其中該區(qū)(10)的滲入深度(Xjp_edge)大于溝槽(7，7b)的深度(Dt)，并且p摻雜區(qū)(10)一直到達該半導(dǎo)體裝置(70)的邊緣，并且將該n+襯底(1)和n層(2)完全用接觸層(4，5)覆蓋。
31.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，通過擴散工藝產(chǎn)生該p摻雜區(qū)(10)。
32.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，為了制造p摻雜區(qū)(9，10)由氣相淀積p摻雜物質(zhì)。
33.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，為了制造p摻雜區(qū)(9，10)，通過離子注入加工p摻雜物質(zhì)。
34.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，使用硼或者硼離子作為摻雜物質(zhì)。
35.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，借助外延工藝制造位于該n+襯底(1)上的n層(2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括一個帶有集成的PN二極管的溝槽－結(jié)－勢壘－肖特基二極管的半導(dǎo)體裝置(30)及其制造方法。
文檔編號H01L29/866GK101091260SQ200580037812
公開日2007年12月19日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
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