專利名稱：功率半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有交替布置的肖特基結(jié)及pn結(jié)和設(shè)在該肖特基結(jié)及pn結(jié)之間的一個(gè)半導(dǎo)體材料的低摻雜漂移區(qū)的半導(dǎo)體元件以及制造這種元件的方法。
作為用于小工作電壓的元件，除了使用pn二極管外還使用肖特基二極管。肖特基二極管以小正向電壓及小開(kāi)關(guān)損耗著稱。為了降低出現(xiàn)在肖特基結(jié)邊緣上的電場(chǎng)峰值，通常在該元件邊緣設(shè)置所謂保護(hù)環(huán)。該保護(hù)環(huán)降低了出現(xiàn)在肖特基結(jié)邊緣上的電場(chǎng)峰值并有利地致使元件擊穿電壓提高。
然而，隨著二極管擊穿電壓的升高不但元件中的串聯(lián)電阻值而且反向漏電流也上升，尤其是在溫度升高時(shí)。由此使其本身工藝簡(jiǎn)單的肖特基二極管的擴(kuò)大應(yīng)用遇到困難。
一個(gè)特殊的問(wèn)題表現(xiàn)為由于肖特基結(jié)能量勢(shì)壘的電壓感應(yīng)變形使反向漏電流極強(qiáng)地依賴于電壓。肖特基勢(shì)壘將通過(guò)施加的反向電壓及與此相關(guān)的勢(shì)壘上的電場(chǎng)而變小，以致反向漏電流隨反向電壓強(qiáng)烈地上升并在實(shí)際擊穿前可達(dá)到很大的值。此外，由于作為基礎(chǔ)的熱發(fā)射機(jī)理反向電流表現(xiàn)出隨溫度呈指數(shù)地上升，由此得到不利的反向性能。
由不同半導(dǎo)體材料做的肖特基二極管是公知的。在EP380340A2中描述了由SiC做的一種肖特基二極管，在由L.Wang等人的文章“高勢(shì)壘高度的GaN肖特基二極管Pt/GaN及Pd/GaN”(應(yīng)用物理通報(bào)(Appl.Phys.Lett.)68(9)，1996年2月26日，第1267-1269頁(yè))中公知了由GaN做的肖特基二極管，并從DE4210402A1公知了由金剛石做的肖特基二極管。
在一些文獻(xiàn)中描述了各種附加方案來(lái)改善反向特性，例如在B.M.Wilamowski著的“具有高擊穿電壓的肖特基二極管”，固態(tài)電子學(xué)，1983年，vol.26(5)，第491-493頁(yè)；及B.J.Baliga著“Pinch整流器一種低正向壓降的高速功率二極管”，IEEE電子器件學(xué)報(bào)，1984年，EDL-5(6)。它們的出發(fā)點(diǎn)在于，肖特基結(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度通過(guò)屏蔽層來(lái)減少。那里所描述的元件稱為一種所謂的“合并pn/肖特基(MPS)整流器“(Merged-pn/Schottky Rectifier)”，其中在保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置了交替的肖特基接觸區(qū)及高摻雜pn結(jié)和在它們之間的一種半導(dǎo)體材料的漂移區(qū)。雖然該元件的反向特性改善了，但也出現(xiàn)了各種缺點(diǎn)。
除肖特基結(jié)的有效平面損失外，不利之處尤其在于，在pn結(jié)正向工作時(shí)少數(shù)載流子從高摻雜半導(dǎo)體區(qū)注入。在MPS元件正向極性上，電流首先僅流過(guò)肖特基區(qū)。在正向電壓繼續(xù)上升時(shí)，pn結(jié)也進(jìn)入導(dǎo)通，由此使少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)中。除僅具有保護(hù)環(huán)的元件之外，該少數(shù)載流子注入不再能忽略，因?yàn)樵撦d流子注入如同在純pn結(jié)上那樣，甚至導(dǎo)致電子-空穴等離子區(qū)的形成。一方面，這雖然使正向特性稍有改善，但另一方面，開(kāi)關(guān)損耗強(qiáng)烈上升。
在一些文件中還描述了一系列措施，用它們來(lái)改善MPS元件的開(kāi)關(guān)特性及反向特性。在US5,262,669A中描述了一種MPS元件，其中pn結(jié)設(shè)置在蝕刻溝中以及pn結(jié)的幾何結(jié)構(gòu)與肖特基結(jié)的勢(shì)壘高度及在肖特基結(jié)上構(gòu)成的空間電荷區(qū)相適配。然而所使用的工藝及結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是非常昂貴的。由于該原因，MPS元件盡管原則上制造工藝簡(jiǎn)單及單極性二極管的良好特性，但仍然毫無(wú)實(shí)際意義。
本發(fā)明的任務(wù)在于，給出一種MPS元件，它的開(kāi)關(guān)損耗得以改善，而無(wú)需附加地使用昂貴的工藝步驟。
該任務(wù)將通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的特征來(lái)解決。進(jìn)一步的有利構(gòu)型可從說(shuō)明書及從屬權(quán)利要求中推斷出來(lái)。
本發(fā)明由一種結(jié)構(gòu)組成在肖特基金屬及一種半導(dǎo)體的漂移區(qū)之間的結(jié)和由pn結(jié)做的一個(gè)屏蔽層，后者實(shí)際埋設(shè)在該結(jié)中，其中對(duì)于選擇半導(dǎo)體材料及肖特基金屬材料必須維持肖特基勢(shì)壘能量高度及半導(dǎo)體材料的能隙之間的最小差值。
其優(yōu)點(diǎn)是，可使用制造MPS元件的簡(jiǎn)單工藝及不僅使反向特性而且使關(guān)斷阻耗得以改善。
特別有利的是，使用具有大能隙的半導(dǎo)體，尤其是所謂“寬能隙”半導(dǎo)體。合適的是，這樣選擇用于肖特基接觸層的材料，即最小勢(shì)壘高度不被超過(guò)。由此改善了反向特性。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中漂移區(qū)由碳化硅構(gòu)成。在另一實(shí)施例中，該漂移區(qū)由氮化鎵構(gòu)成。在又一實(shí)施例中，該漂移區(qū)由氮化鋁構(gòu)成。在另一實(shí)施例中，該漂移區(qū)由金剛石構(gòu)成。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在由碳化硅做的高摻雜襯底材料上設(shè)置了具有低摻雜及相同導(dǎo)電類型的漂移區(qū)。有利的是，襯底材料的摻雜大于或等于1018cm-3，及漂移區(qū)的摻雜為1014cm-3至1017cm-3。
在一個(gè)適合的實(shí)施例中，漂移區(qū)的厚度在2μm和50μm之間。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，各相鄰pn結(jié)的距離在0.5μm和20μm之間。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，pn結(jié)設(shè)置在溝中，這些溝被蝕刻到漂移區(qū)內(nèi)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，與pn結(jié)相鄰的肖特基結(jié)設(shè)置在漂移區(qū)中。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，漂移區(qū)中的高摻雜區(qū)是通過(guò)漂移區(qū)的互補(bǔ)摻雜半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在漂移區(qū)中的高摻雜區(qū)是通過(guò)不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。
在一個(gè)合適的實(shí)施例中，對(duì)于p摻雜襯底材料在摻雜區(qū)中注入鋁和/或硼。
在一個(gè)合適的實(shí)施例中，對(duì)于n摻雜襯底材料在摻雜區(qū)中注入氮和/或磷。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，陰極和陽(yáng)極設(shè)置在半導(dǎo)體元件的對(duì)立的各表面上。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極和陽(yáng)極設(shè)置在半導(dǎo)體元件的同一表面上，尤其是一個(gè)外接觸層包圍著另一外接觸層。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)外接觸層實(shí)際上與漂移區(qū)形成點(diǎn)狀接觸。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在陰極前面設(shè)置了一個(gè)高摻雜半導(dǎo)體區(qū)，它具有與半導(dǎo)體漂移區(qū)相同的導(dǎo)電類型。
特別合適的是，根據(jù)本發(fā)明的元件也可做成互補(bǔ)摻雜的元件。
在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的方法中給出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的碳化硅元件的制造方法。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中將執(zhí)行特別合適的溫度處理。其優(yōu)點(diǎn)是，元件的表面粗糙度在溫度處理時(shí)不會(huì)變差。
在下面將借助附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明及描述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征。附圖為

圖1根據(jù)本發(fā)明的元件的特性曲線及各種公知元件的特性曲線圖；圖2根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有保護(hù)環(huán)的肖特基二極管的一個(gè)截面圖；圖3根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)MPS元件的截面圖；圖4根據(jù)本發(fā)明的元件的關(guān)斷特性曲線與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)pn二極管的特性的比較；圖5根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)MPS元件的截面圖；圖6根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)MPS元件的截面圖。
圖2表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有保護(hù)環(huán)的一個(gè)肖特基二極管的截面。在通常結(jié)構(gòu)中，在一個(gè)高摻雜n++襯底1上設(shè)置了一個(gè)低摻雜n-半導(dǎo)體區(qū)2，尤其是一個(gè)外延層(epitaktische Schicht)。在半導(dǎo)體層2的表面上設(shè)有一個(gè)肖特基接觸區(qū)，它由第一金屬層、即肖特基金屬3及第二接觸金屬體系4構(gòu)成。對(duì)于半導(dǎo)體它構(gòu)成了肖特基結(jié)5。該肖特基接觸區(qū)構(gòu)成陽(yáng)極A。在襯底1的與陽(yáng)極A對(duì)立的側(cè)上設(shè)有第三接觸金屬體系6，它構(gòu)成陰極K。在肖特基接觸結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域下方設(shè)有一個(gè)具有相對(duì)半導(dǎo)體區(qū)2互補(bǔ)載流子類型的高摻雜半導(dǎo)體區(qū)7。半導(dǎo)體區(qū)2表現(xiàn)為載流子的漂移區(qū)。半導(dǎo)體區(qū)7構(gòu)成保護(hù)環(huán)(所謂“Guard Ring”)，它可減小通常在肖特基接觸區(qū)邊緣出現(xiàn)的電場(chǎng)峰值并由此增加擊穿電壓。
圖3以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通常MPS元件截面圖形式表示出圖2結(jié)構(gòu)的另一構(gòu)型。在該構(gòu)型中通過(guò)肖特基接觸區(qū)下面的屏蔽區(qū)使電場(chǎng)峰值進(jìn)一步降低。該屏蔽區(qū)由高摻雜半導(dǎo)體區(qū)8的柵格組成，它如同保護(hù)環(huán)7，具有相對(duì)半導(dǎo)體層2互補(bǔ)的載流子類型。在圖3中，該屏蔽區(qū)7由P+區(qū)構(gòu)成。實(shí)際上構(gòu)成了具有交替設(shè)置的肖特基結(jié)5及pn結(jié)9以及位于其中間的半導(dǎo)體區(qū)2的漂移區(qū)10的結(jié)構(gòu)。
如果在該結(jié)構(gòu)上在陽(yáng)極A及陰極K之間施加反向電壓，則空間電荷區(qū)隨電壓的上升不僅被肖特基結(jié)而且也被屏幕區(qū)8的半導(dǎo)體區(qū)擴(kuò)展。在相應(yīng)的通常參數(shù)的情況下，在P+區(qū)之間的該肖特基區(qū)將將被其空間電荷區(qū)夾斷，以使得肖特基結(jié)5上的電場(chǎng)強(qiáng)度不再繼續(xù)上升。該結(jié)構(gòu)大致相應(yīng)于肖特基二極管及一個(gè)所謂“靜電感應(yīng)晶體三極管”的串聯(lián)。
該結(jié)構(gòu)本身能有利地減小反向電流對(duì)電壓很強(qiáng)的依賴關(guān)系并能改善MPS元件的阻斷性能。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)技術(shù)上的置換非常簡(jiǎn)單。尤其是，在標(biāo)準(zhǔn)二極管的情況下，可以用柵格形狀或另外適合的幾何形狀、特別是條及點(diǎn)在一個(gè)工藝步驟中與保護(hù)環(huán)7并在需要時(shí)與多個(gè)所謂“場(chǎng)環(huán)”(Feldringen)一起制造屏蔽結(jié)構(gòu)8。這不會(huì)形成附加的技術(shù)成本。
這種公知結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于肖特基平面的消失。一個(gè)重大的缺點(diǎn)則在于，在元件正向工作時(shí)，少數(shù)載流子將從屏蔽區(qū)7注入到半導(dǎo)體區(qū)2的漂移區(qū)中。在MPS元件正極性時(shí)，電流首先僅流過(guò)肖特基區(qū)。在正向電壓繼續(xù)上升時(shí)，pn結(jié)9也變?yōu)閷?dǎo)通，由此少數(shù)載流子被注入到漂移區(qū)2及10中。由于屏蔽結(jié)構(gòu)8相當(dāng)大的平面部分，尤其是P+區(qū)，這種注入不同于具有保護(hù)環(huán)7的肖特基二極管的情況，不再能被忽略。
這種過(guò)程甚至導(dǎo)致在半導(dǎo)體區(qū)2的漂移區(qū)中形成電子-空穴等離子區(qū)，這雖然使導(dǎo)通特性稍有改善，但引起元件很大的開(kāi)關(guān)損耗。
根據(jù)本發(fā)明，在選擇半導(dǎo)體材料及肖特基材料時(shí)將選擇一種材料的組合，由此可保證，半導(dǎo)體的電子受激能譜中的能帶間隙值與元件無(wú)電壓狀態(tài)下肖特基勢(shì)壘的能級(jí)高度之差大于或等于一預(yù)定值，優(yōu)選為至少0.8eV，最好為至少1eV?？珊?jiǎn)單地設(shè)想，為了流過(guò)相同的電流I0，在一個(gè)pn結(jié)上其電壓差值ΔU必須大于在一個(gè)肖特基接觸區(qū)上的電壓差值。在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的MPS元件上該差值ΔU可簡(jiǎn)化解釋為在第一電壓下維持的總電流I0及在較高的第二電壓下維持的注入電流之差，該注入電流處于與I0相同的高度上。
能量值與電壓差ΔU之間的關(guān)系可給出為ΔU＝(E能隙-φ勢(shì)壘)/q0+k，其中E能隙是半導(dǎo)體的能隙，φ勢(shì)壘是肖特基勢(shì)壘的高度，q0是基本電荷常數(shù)，及k表示一常數(shù)，該常數(shù)k通過(guò)有效的Richardson常數(shù)與溫度、載流子狀態(tài)密度、載流子漂移率、載流子壽命、摻雜及肖特基結(jié)與pn結(jié)平面的平面比例有關(guān)。對(duì)于相似的元件上參數(shù)的通常值，k在從幾十mV至上百mV，并由此實(shí)質(zhì)上可以忽略。該肖特基勢(shì)壘φ勢(shì)壘最好由二極管的正向曲線以本身公知的方式來(lái)確定。
能隙E能隙及肖特基勢(shì)壘φ勢(shì)壘的絕對(duì)值對(duì)于電壓差ΔU不是十分重要的。因?yàn)殡妷翰瞀愈大，開(kāi)關(guān)損耗愈小，合乎目的的是選擇合適的半導(dǎo)體-肖特基材料組合。
作為半導(dǎo)體材料，那些具有大能隙E能隙的材料能有利地適用，尤其適用的是碳化硅、氮化鎵、氮化鋁及全剛石的各種同質(zhì)多型材料。在選擇最佳的肖特基接觸材料時(shí)應(yīng)注意一方面，肖特基勢(shì)壘φ勢(shì)壘足夠小，以達(dá)到能隙E能隙及肖特基墊壘高度φ勢(shì)壘之間盡可能大的能量差，另一方面，肖特基勢(shì)壘要足夠大，以實(shí)現(xiàn)合適的阻斷特性。特別合適的選擇是，肖特基勢(shì)壘高度φ勢(shì)壘大于0.5eV，最好是選為大于0.8eV。合乎要求的是，肖特基勢(shì)壘高度φ勢(shì)壘小于2eV。因此，根據(jù)本發(fā)明的元件能特別好地適用于高阻斷電壓區(qū)域，優(yōu)選為用于大于200V的區(qū)域，最好是大于600V。
特別有利的組合是作為半導(dǎo)體的碳化硅與金屬、尤其是鈦、鋁、鈀、金、銀、鎳的組合，或碳化硅與金屬組合物、尤其是鈦/鋁、鈦/鎳/銀等或與硅化物、尤其是TiSi2的組合或另外合適的金屬/半導(dǎo)體組合，它們能滿足條件能隙E能隙及肖特基勢(shì)壘高度φ勢(shì)壘之差大于或等于0.8eV，最好是1eV。
如果具有根據(jù)本發(fā)明材料組合的一個(gè)MPS元件工作在正向上，僅在顯著高的通量電壓下pn結(jié)9才將少數(shù)載流子注入到半導(dǎo)體的漂移區(qū)中。這被表示在圖1中。在二極管常規(guī)工作時(shí)出現(xiàn)的僅是仍可忽略的注入，因此通過(guò)所謂少數(shù)載流子從漂移區(qū)中的“清除”或通過(guò)可能的反向電流峰值不會(huì)形成附加的開(kāi)關(guān)損耗。
在圖1中給出了根據(jù)本發(fā)明的具有不同屏蔽幾何結(jié)構(gòu)的碳化硅-MPS元件M的測(cè)量特性曲線與另外元件、尤其是肖特基二極管S、具有保護(hù)環(huán)的肖特基二極管G及pn二極管PN的特性曲線不僅在正向而且在反向上的比較。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的有利功能可被明顯地看出。在根據(jù)本發(fā)明的MPS元件M上，在正向很小電壓的情況下流過(guò)較大的電流，它類似于正向上有利的元件S和G，而在pn二極管PN上對(duì)于相似的電流值必需施加明顯高的電壓。在反向上根據(jù)本發(fā)明的MPS元件M的漏電流明顯地低于帶有或不帶有保護(hù)環(huán)的肖特基二極管S及G的漏電流，并表現(xiàn)出與pn二極管PN相似的良好阻斷特性。
圖4表示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的由SiC做成的元件及一個(gè)由Si做成的比較元件的特性曲線，這些特性曲線突出表現(xiàn)元件的關(guān)斷性能。這些元件將在1A正向電流及500V反向電壓時(shí)關(guān)斷。該Si元件是一個(gè)pn二極管并表現(xiàn)出差的關(guān)斷特性。該Si元件的特性曲線很陡地下降并具有一個(gè)向下到大反向電流的強(qiáng)振蕩(反向恢復(fù))，該反向電流比原來(lái)的正向電流1A大得多，其原因歸結(jié)為從半導(dǎo)體的漂移區(qū)中必須消除大量的少數(shù)載流子。這就導(dǎo)致了該Si元件具有大開(kāi)關(guān)損耗的非常不利的開(kāi)關(guān)特性。
相反地，在根據(jù)本發(fā)明的元件的漂移區(qū)中僅有很少的少數(shù)載流子，因?yàn)樗淖⑷氡桓鶕?jù)本發(fā)明的電壓差ΔU在很大程度上抑制了。在反向恢復(fù)區(qū)域中的電流僅是原始正向電流的分?jǐn)?shù)值。根據(jù)本發(fā)明的元件的關(guān)斷特性與以快速關(guān)斷特性著稱的純肖特基二極管同樣地快，而關(guān)斷損耗則相反地明顯得以改善。相對(duì)pn二極管，其開(kāi)關(guān)損耗顯著地減小。根據(jù)本發(fā)明的元件一方面具有公知肖待基二極管的良好特性、例如開(kāi)關(guān)損耗小及工藝簡(jiǎn)單，另一方面又具有明顯小的關(guān)斷漏電流。
只要能隙及肖特基勢(shì)壘高度之間的差值至少為0.8eV，最好為1eV，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的這樣的元件也能滿足在提高阻斷能力情況下減小開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)，在這樣的元件上由于半導(dǎo)體特別大的能隙其反向電流不能進(jìn)一步改善。
雖然在附圖中描繪的根據(jù)本發(fā)明的MPS元件的優(yōu)選實(shí)施例表現(xiàn)為垂直型元件，其中外部的陰極K和陽(yáng)極A的端子設(shè)置在半導(dǎo)體的對(duì)立表面上；但是，根據(jù)本發(fā)明的元件也同樣可作為橫向型元件實(shí)施，其中外部的陽(yáng)極A和陰極K的接觸層均設(shè)置在半導(dǎo)體的同一表面上，尤其一個(gè)外部接觸層包圍著另一外部接觸層，例如陰極環(huán)形地包圍著陽(yáng)極。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，一個(gè)外部接觸區(qū)、尤其是陰極K僅是點(diǎn)狀地與半導(dǎo)體的漂移區(qū)相接觸。
在另一優(yōu)選的實(shí)施形式中，在陰極的前面設(shè)置了一個(gè)高摻雜半導(dǎo)體區(qū)，它與半導(dǎo)體2的漂移區(qū)具有相同的導(dǎo)電類型。這便有利地導(dǎo)致了半導(dǎo)體及陰極接觸區(qū)之間接觸的改善，并使空間電荷區(qū)向陰極-金屬區(qū)6可能的延展(“穿通”)被抑制。
本發(fā)明也同樣適用于互補(bǔ)型摻雜的MPS元件。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將使用高摻雜、尤其大于1018cm-3的n導(dǎo)電或p導(dǎo)電型碳化硅，最好是n導(dǎo)電型4H-碳化硅作為襯底1。其結(jié)構(gòu)類似于圖3中所示結(jié)構(gòu)。在襯底1上設(shè)置與襯底相同導(dǎo)電類型的漂移區(qū)2，它最好是同型外延地分離出來(lái)。該漂移區(qū)的厚度最好在2μm及50μm之間。摻雜最好在約1014及1017cm-3之間。
在漂移區(qū)2中，實(shí)際上在上表面附近區(qū)域內(nèi)由摻雜材料原子注入構(gòu)成。漂移區(qū)10及摻雜區(qū)7、8相交替。對(duì)于p型漂移區(qū)最好選擇鋁或硼，對(duì)于n型漂移區(qū)最好選擇氮或磷。所形成的區(qū)7及8的載流子類型與漂移區(qū)10的載流子類型相反并構(gòu)成pn結(jié)9。
在漂移區(qū)2的表面中結(jié)構(gòu)摻雜材料的注入可借助擴(kuò)散或最好借助離子注入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。摻雜區(qū)7及8的間隔可這樣來(lái)優(yōu)化，即與相鄰的pn結(jié)9的可能的靜態(tài)空間電荷區(qū)不相接觸。由此可以達(dá)到在正向上載流子的穿透不受阻礙。另一方面，pn結(jié)9必須這樣緊密地相鄰布置，即當(dāng)在元件上施加反向電壓時(shí)，在相鄰pn結(jié)9之間的區(qū)域被區(qū)域10中隨反向電壓升高變寬的空間電荷區(qū)可靠地夾斷。
pn結(jié)9之間的優(yōu)化距離除了摻雜及半導(dǎo)體材料外還與pn屏蔽區(qū)8的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，該幾何結(jié)構(gòu)尤其為條狀、棚格狀、環(huán)狀、螺旋形、六角形或點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。
最好，相鄰pn結(jié)之間的距離在0.5μm及20μm之間。
在注入屏蔽區(qū)后最好接著進(jìn)行溫度處理，尤其是使用1400℃及1700℃之間的溫度，這將使可能出現(xiàn)的離子注入損傷部分恢復(fù)，使摻雜材料進(jìn)入較深并熱激活。特別優(yōu)選的是，進(jìn)行多級(jí)溫度處理，如在專利申請(qǐng)DE19633183及DE19633184中所公開(kāi)的，使用揮發(fā)性、尤其是純化的成分、特別是碳化硅進(jìn)行半導(dǎo)體元件的溫度處理。該方法在于這樣地進(jìn)行溫度處理，即首先使元件在一個(gè)限定的時(shí)間區(qū)間上保持在500℃及1500℃之間的溫度，并接著將其保持在大于1500℃的溫度。尤其有利的是，在溫度處理期間以與元件直接相鄰關(guān)系添加硅，尤其是以可能的復(fù)原坩堝(Ausheiltiegel)的形式投入硅，在這坩堝中在溫度處理期間放置元件。在此情況下特別有利的是，MPS元件表面盡管在原來(lái)烘烤步驟中的高溫但通過(guò)一個(gè)前置的預(yù)處理步驟仍能夠保持平滑。接著使正面(肖特基金屬)及反面(歐姆接觸)的金屬化部分分離，形成其結(jié)構(gòu)，及在需要時(shí)熱處理。
在圖5中表示出一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的元件，其中在需要設(shè)置屏蔽區(qū)的地方注入用于屏蔽區(qū)的摻雜材料以前，在漂移區(qū)2中蝕刻出蝕刻溝。這具有其優(yōu)點(diǎn)，即pn結(jié)很寬地深入到漂移區(qū)2中，由此改善了肖特基區(qū)的夾斷。
在另一個(gè)如圖6所示的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，在屏蔽區(qū)8引入后設(shè)置一個(gè)外延層，該外延層具有與漂移區(qū)2相同的導(dǎo)電類型。其結(jié)果是，屏蔽區(qū)8被埋置。接著使該屏蔽區(qū)再露出來(lái)，尤其是被蝕刻出來(lái)，然后才金屬化。以此方式，有利地使有效肖特基平面增大了蝕刻的側(cè)面，這使屏蔽區(qū)8造成的平面損失至少得到補(bǔ)償，尤其是過(guò)補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體元件，具有作為陽(yáng)極及陰極的外接觸層和在表面附近區(qū)域中交替布置的肖特基結(jié)及pn結(jié)，和設(shè)在肖特基結(jié)及pn結(jié)之間的半導(dǎo)體材料的低摻雜漂移區(qū)，其特征在于在漂移區(qū)半導(dǎo)體(2)的電子激勵(lì)能譜中的能隙(E能隙)及肖特基勢(shì)壘(5)的能量高度(φ勢(shì)壘)之間的能量差(E能隙-φ勢(shì)壘)在半導(dǎo)體元件無(wú)電壓狀態(tài)下至少為0.8eV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體元件，其特征在于該能量差(E能隙-φ勢(shì)壘)至少為1eV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體元件，其特征在于能隙(E能隙)大于1.5eV。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于肖特基勢(shì)壘的能量高度(φ勢(shì)壘)小于2eV。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于肖特基勢(shì)壘的能量高度(φ勢(shì)壘)大于0.5eV。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2，10)的半導(dǎo)體材料由碳化硅構(gòu)成。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2，10)的半導(dǎo)體材料由氮化鎵構(gòu)成。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2，10)的半導(dǎo)體材料由氮化鋁構(gòu)成。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2，10)的半導(dǎo)體材料由金剛石構(gòu)成。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于在由碳化硅做的一個(gè)高摻雜襯底材料(1)上設(shè)置了一個(gè)具有低摻雜的相同導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(2，10)。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于襯底材料(1)被摻雜了一個(gè)大于或等于1018cm-3的摻雜材料。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2)被摻雜了一個(gè)1014cm-3至1017cm-3的摻雜材料。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于漂移區(qū)(2)具有2μm及50μm之間的厚度。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于各相鄰pn結(jié)(9)的距離在0.5μm及20μm之間。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于pn結(jié)(9)設(shè)置在蝕刻到漂移區(qū)(2)內(nèi)部中的溝中。
16.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于與pn結(jié)(9)相鄰的肖特基結(jié)被設(shè)置在漂移區(qū)(2，10)中。
17.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于設(shè)置在漂移區(qū)(2，10)中的摻雜區(qū)(7，8)由與漂移區(qū)(2，10)互補(bǔ)的摻雜半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
18.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于摻雜區(qū)(7，8)和漂移區(qū)(2，10)由不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
19.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于對(duì)于p摻雜的襯底材料(1)在漂移區(qū)(7，8)中注入鋁和/或硼。
20.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于對(duì)于n摻雜的襯底材料(1)在漂移區(qū)(7，8)中注入氮和/或磷。
21.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于陰極(K)及陽(yáng)極(A)設(shè)置在半導(dǎo)體元件的對(duì)立的各表面上。
22.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于陰極(K)及陽(yáng)極(A)設(shè)置在半導(dǎo)體元件的同一表面上。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的半導(dǎo)體元件，其特征在于一個(gè)外部接觸層(K，A)包圍著另一個(gè)內(nèi)部接觸層(A，K)。
24.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于一個(gè)外部接觸區(qū)(A，K)實(shí)際上與漂移區(qū)(2，10)形成點(diǎn)狀接觸。
25.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于在陰極的前面設(shè)置了一個(gè)高摻雜半導(dǎo)體區(qū)，它具有與半導(dǎo)體漂移區(qū)(2，10)相同的導(dǎo)電類型。
26.根據(jù)以上權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的半導(dǎo)體元件，其特征在于半導(dǎo)體元件是互補(bǔ)的摻雜類型的。
27.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1或其后任一權(quán)利要求的半導(dǎo)體元件的方法，其特征在于在一個(gè)用至少為1018cm-3的第一摻雜材料摻雜的碳化硅襯底上均勻外延地分離出一個(gè)用1014及1017cm-3之間區(qū)域中的相同載流子類型的第二摻雜材料摻雜的碳化硅層，在遠(yuǎn)離襯底的碳化硅層表面上借助擴(kuò)散和/或離子注入用互補(bǔ)載流子類型的第三摻雜材料來(lái)構(gòu)成置入的pn結(jié)，接著使該元件經(jīng)受1400℃及1700℃之間的第一溫度處理，在該溫度處理后在注入表面上設(shè)置第一金屬化層以構(gòu)成一個(gè)肖特基接觸層及設(shè)置第二金屬化層以構(gòu)成歐姆接觸層，及接著對(duì)第一層及第二層進(jìn)行構(gòu)造。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其特征在于該元件將經(jīng)受一個(gè)最終的第二溫度處理。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28的方式，其特征在于這樣地進(jìn)行第一溫度處理，即，將元件在一個(gè)限定時(shí)間間隔上保持在500℃及1500℃之間的溫度中，并接著使該元件處于大于1500℃的溫度中繼續(xù)處理。
30.根據(jù)以上權(quán)利要求27至29中至少一項(xiàng)的方法，其特征在于在第一溫度處理期間，該元件以與基本硅材料直接相鄰的關(guān)系被加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有相鄰肖特基結(jié)(5)及pn結(jié)(9)的半導(dǎo)體元件,該pn結(jié)設(shè)在一個(gè)半導(dǎo)體材料的漂移區(qū)(2,10)中,以及涉及其制造方法。
文檔編號(hào)H01L21/04GK1259228SQ98805691
公開(kāi)日2000年7月5日 申請(qǐng)日期1998年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月3日
發(fā)明者南多·卡明斯基, 拉班·海爾德 申請(qǐng)人:戴姆勒-克萊斯勒股份公司