[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

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MOS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1V，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 0 707 744 B1或者DE 694 28 996 T2中所描述的TMBS(沟槽式MOS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MOS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MOS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MOS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MOS结构的准反型层。因此，MOS 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1、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。