(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組み込まれたＰＮダイオードを挟み込み素子として有するＴＪＢＳ（Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode）を備えた半導体装置であって、
前記ＴＪＢＳ（Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode）は、ショットキーダイオードとＰＮダイオードとの組み合わせから構成されており、
前記ＰＮダイオードの降伏電圧（ＢＶ＿ｐｎ）は、前記ショットキーダイオードの降伏電圧（ＢＶ＿schottky）よりも低く、
ｎ+基板（１）上に設けられかつカソードゾーンとして使用されるｎエピ層（２）を有しており、
２次元で見ると前記ｎエピ層（２）にエッチングされた少なくとも２つのトレンチ（６）が設けられており、
該トレンチ（６）には、ｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉが充填されており、該トレンチ（６）は、前記ＰＮダイオードのアノードゾーンを形成する、
半導体装置において、
前記トレンチ（６）は、上から下に向かって上側領域、中央領域および下側領域の３つの領域に分割されて、相異なるドーピング濃度のｐドーピングＳｉまたはポリＳｉで充填されており、
前記上側領域は、高いドーピング濃度のｐ+シリコンまたはｐ+ポリシリコン（６）で充填されており、前記中央領域は、低いドーピング濃度のｐシリコンまたはｐポリシリコン（６）で充填されており、前記下側領域は、高いドーピング濃度のｐ+シリコンまたはｐ+ポリシリコン（６）で充填されており、
前記ＰＮダイオードの降伏が前記下側領域と前記ｎエピ層（２）との間のＰＮ接合部で発生するように、前記上側領域、前記中央領域および前記下側領域が設計されている、ことを特徴とする
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置の降伏電圧（ＢＶ＿ｐｎ）は、２０Ｖであり、
前記半導体装置を構成して、当該半導体装置がツェナーダイオードとして作用し、大電流によって降伏して動作できるようにした、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記高いドーピング濃度および低いドーピング濃度は、それぞれのドーピングの濃度の高い領域または低い領域内でドーピング傾斜を有する、
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第１金属層（４）が前記チップの上面に配置されており、
第２金属層（５）が前記チップの底面に設けられておりかつカソード電極として使用され、
前記第１金属層（４）は、ｐウェルに至るオーミックコンタクトと、前記ｎエピ層（２）に至るショットキーコンタクトを有しておりかつアノード電極として使用される、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記トレンチ（６）は、矩形の形状またはＵ字形の形状を有する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ＰＮダイオードの降伏は、前記ｐウェルの下側領域と、前記ｎエピ層（２）との間の接合部で発生する、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１金属層（４）および／または第２金属層（５）のメタライゼーションは、２つまたはそれ以上の上下に重なった金属レイヤから構成される、
請求項４に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記トレンチ（６）は、ストライプ状配置構成で、または島として配置されており、
当該島は、円形または六角形で構成される、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体装置は、自動車のジェネレータシステム用の整流器の構成部分である、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の半導体装置を製造する方法であって、
−  ｎ+基板上のｎエピ層を形成するステップと、
−  前記ｎエピ層にトレンチをエッチングするステップと、
−  前記トレンチがＰＮダイオードのアノードゾーンを形成するように、前記トレンチにｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉを充填するステップであって、前記トレンチ（６）を、上から下に向かって上側領域、中央領域および下側領域の３つの領域に分割して、前記ＰＮダイオードの降伏が前記下側領域と前記ｎエピ層との間のＰＮ接合部で発生するように、前記上側領域、前記中央領域および前記下側領域を設計して、相異なるドーピング濃度のｐドーピングＳｉまたはポリＳｉで充填し、その際、前記下側領域を、高いドーピング濃度のｐ+シリコンまたはｐ+ポリシリコン（６）で充填し、前記中央領域を、低いドーピング濃度のｐシリコンまたはｐポリシリコン（６）で充填し、前記上側領域を、高いドーピング濃度のｐ+シリコンまたはｐ+ポリシリコン（６）で充填するステップと、
−  上面側および底面側にメタライゼーションを行うステップとを含むことを特徴とする、
半導体装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来の技術
本発明は、トレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode）の変形形態に関するものであり、このダイオードを以下では略してＴＪＢＳと称することにする。ＴＪＢＳダイオードにより、構成素子設計に対して比較的大きな自由空間が得られ、またＴＪＢＳダイオードは、殊に約２０Ｖの降伏電圧を有しかつ自動車のジェネレータシステムに使用されるパワーツェナーダイオードに適している。
【０００２】
今日の自動車では、ますます多くの機能が電子構成素子によって実現されるようになっており、これによって電力に対する要求もますます大きくなっている。このような要求を満たすため、自動車におけるジェネレータシステムの効率を高める必要がある。
【０００３】
今日までのところはふつうＰＮダイオードが、自動車のジェネレータシステムにおけるツェナーダイオードとして使用されている。ＰＮダイオードの利点は、一方では逆電流が少ないことであり、他方ではロバストネスが高いことである。第１の欠点は、順電圧ＵＦが高いことである。室温では電流は、ＵＦ＝０．７Ｖで流れ始める。通常の動作条件、例えば500A/cm2の電流密度では、ＵＦは１Ｖを上回り、これは無視ができない効率の損失である。
【０００４】
理論的にはショットキーダイオードを別の選択肢として利用することができる。ショットキーダイオードは、ＰＮダイオードよりも格段に順方向電圧が低く、例えば500A/cm2の高い電流密度において0.5Vないし0.6Vである。また多数キャリア構成素子であるショットキーダイオードにより、高速のスイッチング動作時には複数の利点が得られる。しかしながら自動車のジェネレータシステムにおいてショットキーダイオードを使用することは、今日まで行われていない。このことは、ショットキーダイオードのいくつかの重大な欠点に起因するものである。すなわち、１）ＰＮダイオードに比べて逆電流が多い、２）逆電流が逆電圧に大きく依存する、および３）殊に高温時にロバストネスが不良であるなどの欠点に起因するのである。
【０００５】
ショットキーダイオードを改善するための提案もすでにあり、以下では２つの例を示す。S. Kunori等による"Low leakage current Schottky barrier diode", Proceedings of 1992 International Symposium on Power Semiconductors & ICs, Tokyo, pp.80-84からはＪＢＳ（Junction-Barrier-Schottky-Diode）が公知である。
【０００６】
図１に示したようにＪＢＳは、ｎ+基板１と、ｎエピ層２と、このｎエピ層２に拡散された少なくとも２つのｐウェル３と、チップの前面側４および背面側５における金属層とからなる。電気的に見るとこのＪＢＳは、ＰＮダイオードとショットキーダイオードとの組み合わせであり、ここでこのＰＮダイオードは、アノードとしてのｐウェル３と、カソードとしてのｎエピ層２との間にｐｎ接合部を有しており、また上記のショットキーダイオードは、アノードとしての金属層４と、カソードとしてのｎエピ層２との間にショットキーバリアを有する。上記のチップの背面における金属層５はカソード電極として使用され、チップの前面における金属層４は、ｐウェル３へ至るオーミックコンタクトを有するアノード電極として、また同時にｎエピ層２に至るショットキーコンタクトとして使用される。
【０００７】
ショットキーダイオードの順電圧がＰＮダイオードよりも低いことに起因して、電流はショットキーダイオードの領域だけを通して順方向に流れる。その結果、ＪＢＳでは、順方向の電流に対する（単位面積あたりの）有効面積は、慣用のプラナー型ショットキーダイオードの場合よりも格段に小さいのである。
【０００８】
逆電圧方向において複数の空乏層は、電圧の上昇に伴って拡がり、ＪＢＳの降伏電圧よりも低い電圧において、隣接するｐウェル３の間の領域の中央部で互いに接し合う。これによって高い逆方向電流を調整するショットキー作用は、部分的に遮られて逆方向電流が低減される。この遮断作用は、ｐ拡散の侵入深さＸｊｐと、ｐウェル間の間隔Ｗｎと、ｐウェルの幅Ｗｐと、ｐウェル３およびｎエピ層のドーピング濃度の構造パラメタに大きく依存する。これについては図１を参照されたい。
【０００９】
ＪＢＳのｐウェルを実現するための従来技術は、ｐインプランテーションおよびこれに続くｐ拡散である。ｘ方向においてラテラル拡散させることにより、２次元の図において半径が上記の侵入深さＸｊｐに等しい円筒形のｐウェルが得られ（ｘｙ平面に対して垂直なｚ方向の長さは無限）、ここで上記のラテラル拡散の深さは、ｙ方向における垂直拡散に等しい。上記の空乏層が半径方向に広がることに起因して、このｐウェルの形状は、ショットキー作用の余り有効な遮断にはならない。ラテラル拡散も同時に広くなってしまうため、この比較的深いｐ拡散を行うだけでは上記の遮断作用を強化することはできない。ｐウェル間の間隔Ｗｎを低減することも良好な解決手段ではない。それは、これによって遮断作用は強化されるが、順方向における電流用の有効面積をさらに少なくさせてしまうからである。
【００１０】
ＪＢＳの障壁低下作用ないしはショットキー効果の遮断作用を改善するための択一的な選択肢は、DE-OS 10 2004 053 761に記載されており、ＴＪＢＳと称されている。図２には、トレンチが充填されたこのようなＴＪＢＳ（Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode）が示されている。ＴＪＢＳは、ｎ+基板１と、ｎエピ層２と、このｎエピ層２にエッチングされた少なくとも２つの溝ないしはトレンチ６と、チップの前面におけるアノード電極としての金属層４と、チップの背面におけるカソード電極としての金属層５とからなる。上記のトレンチは、ｐドーピングしたＳｉまたはポリＳｉ７によって充填される。例えば金属層４は、上下に重なった異なる複数の金属層から構成することも可能である。わかりやすくするため、このことは図２には示されていない。電気的にみると上記のＴＪＢＳは、ＰＮダイオード（アノードとしてのｐドーピングされたトレンチ７と、カソードとしてのｎエピ層２と間のＰＮ接合部）と、ショットキーダイオード（アノードとしての金属層４と、カソードとしてのｎエピ層２との間のショットキーバリア）と組み合わせである。
【００１１】
慣用のＪＢＳの場合と同様に順方向の電流は、ショットキーダイオードだけを通って流れる。しかしながらラテラルｐ拡散が行われないことにより、ＴＪＢＳでは、順方向の電流に対する有効面積は、従来のＪＢＳの場合よりも格段に大きい。逆方向には上記の複数の空乏層は電圧の上昇に伴って拡大し、またＴＪＢＳの降伏電圧よりも低い電圧で、隣接するトレンチ６間の領域の中央部において互いに接することになる。ＪＢＳの場合と同様にこれによって大きな逆方向電流を調整するショットキー作用が遮断されて逆方向流が少なくなる。この遮断作用は、トレンチの深さＤｔと、トレンチ間の間隔Ｗｍと、トレンチの幅Ｗｔと、ｐウェル７およびｎエピ層２のドーピング濃度との構造パラメタに大きく依存する。これについては図２を参照されたい。
【００１２】
ＴＪＢＳにおいて上記のトレンチを実現するため、上記のｐ拡散を省略する。これにより、従来のＪＢＳの場合のようなラテラルｐ拡散のマイナスの影響は生じない。トレンチ６間のメサ領域において空乏層のほぼ１次元的な広がりは簡単に実現することができる。それは、上記のショットキー効果を遮断するのに重要な構造パラメタである上記のトレンチの深さＤｔは、もはや順方向の電流に対する有効面積と相関しないからである。これによってショットキー効果の遮断作用は、拡散ｐウェルを有するＪＢＳの場合よりも格段に効率的になるのである。
【００１３】
また他方では上記のＴＪＢＳにより、挟み込み機能によって高いロバストネスが得られる。上記のＰＮダイオードの降伏電圧ＢＶ＿ｐｎは、ＢＶ＿ｐｎがショットキーダイオードの降伏電圧ＢＶ＿schottkyよりも低くかつこの降伏がトレンチの底部において発生するように設計される。この場合、降伏動作時に逆方向電流はＰＮ接合部だけを通って流れる。したがって順方向と逆方向とが、幾何学形状的に分離されるのである。このため、ＴＪＢＳは、ＰＮダイオードと類似のロバストネスを有するのである。さらにＴＪＢＳでは、酸化物への「高温の」キャリア注入は行われない。それは、ＭＯＳ構造が存在しないからである。その結果、上記のＴＪＢＳは、自動車のジェネレータシステムに使用されるツェナーダイオードとして極めて適しているである。
【００１４】
発明の開示
本発明の課題は、ロバストネスが高く、また降伏電圧、漏れ電流および順方向電圧に対する種々異なる要求を満たすための設計の選択肢がフレキシブルであるショットキーダイオードを提供することであり、ここでこのショットキーダイオードは、自動車のジェネレータシステムに使用されるツェナーパワーダイオードに適している。
【００１５】
発明の利点
ショットキーダイオードの上で示した実施例の利点は、ｐウェルにおけるドーピング濃度の組み合わせを、要求に応じてフレキシブルに定められることである。したがってｐウェルにおけるドーピング濃度が一様なＴＪＢＳに比べ、構成素子設計時のフレキシビリティが向上するのである。この利点は、ＴＪＢＳによって、すなわち上側から下側に向かって複数の領域に分割されかつ種々異なるドーピング濃度のｐドーピングケイ素またはポリＳｉで充填されたｐウェルを有するTrench-Junction-Barrier-Schottky-Diodeによって得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＪＢＳ（Juction-Barrier-Schottky）ダイオードの図である。
【図２】トレンチが充填されたＴＪＢＳ（Trench-Juction-Barrier-Schottky）の図である。
【図３】本発明のＴＪＢＳ変形実施形態を示す図である（実施例１）。
【図４】本発明のＴＪＢＳ変形実施形態を示す図である（実施例２）。
【図５】本発明のＴＪＢＳ変形実施形態を示す図である（実施例３）。
【図６】本発明のＴＪＢＳ変形実施形態を示す図である（実施例４）。
【００１７】
本発明の実施形態
一般的には高濃度にドーピングされたｐ+ウェルを有するＴＪＢＳにおける障壁低下効果の遮断作用は、トレンチのサイズ（Ｗｍ，ＷＴ，Ｄｔ，図２を参照されたい）が同じ場合にはより良好になる。それは上記の空乏層が、もっぱら低濃度にドーピングされたｎエピ層に広がって急峻なＰＮ接合部が生じるからである。これにより、ｎエピ層のドーピング濃度が同じ場合、障壁低下効果がより良好に遮断されることによって漏れ電流が小さくなる。しかしながらこれに対して順電圧が高くなってしまうという欠点が発生する。降伏電圧に対する要求にしたがってｎエピ層のドーピング濃度を設計しようとする場合、急峻なＰＮ接合部において上記のｎエピ層を低濃度でドーピングしなければならない。これにより、漏れ電流が少なくなるという利点と、順電圧が高くなるという欠点とが得られることになる。
【００１８】
その一方、低濃度にドーピングしたｐウェルでは、障壁低下効果の遮断が弱くなることが予想される。それは、上記の空乏層が、低濃度にドーピングされたｎエピ層にも、低濃度にドーピングされたｐウェルにも共に拡がり、これによって段の付いたＰＮ接合部になるからである。またさらに降伏電圧に対する要求が同じ場合、急峻なＰＮ接合部に比べて上記のｎエピ層を一層高濃度にドーピングしなければならないという事実が加わる。このことの利点は、順方向電圧が低くなることである。またその欠点は、漏れ電流が大きくなることである。
【００１９】
DE-OS 10 2004 053 761によるＴＪＢＳの従来のコンセプトでは、ｐウェルにおけるドーピング濃度は均一であり、したがって構成素子を設計する余地は限られている。しかしながら上記のｐウェルを上から下に向かって種々異なる領域に分割してドーピングノードのフレキシブルな組み合わせを使用する場合、すなわち、ｐウェルにおける均一なドーピング濃度を断念すれば、付加的な設計の自由度が得られ、降伏電圧、漏れ電流および順方向電圧に対する要求に応じて上記の構成素子をフレキシブルに設計できるのである。
【００２０】
本発明の第１実施例を図３に示す。このＴＪＢＳ変形実施形態は、ｎ+基板１と、ｎエピ層２と、エピ層２にエッチングされた少なくとも２つの溝ないしはトレンチ６からなり、このトレンチは、幅Ｗｔと、深さＤｔを有しており、また隣接するトレンチ６間の間隔はＷｍであり、上記のＴＪＢＳは、チップの前面のアノード電極としての金属層４と、チップの背面のカソード電極としての金属層５とを有する。トレンチ６の上側領域は、高濃度にドーピングされたｐ+Ｓｉまたはｐ+ポリＳｉ８によって充填され、下側領域は、低濃度にドーピングされたｐ-ＳｉまたはｐポリＳｉ９によって充填される。
【００２１】
このＴＪＢＳ変形実施形態も、ショットキーダイオードと、ＰＮダイオードとの組み合わせであり、このショットキーダイオードは、アノードとしての金属層４と、カソードとしてのｎエピ層２との間にショットキーバリアを有しており、また上記のＰＮダイオードは、アノードとしてのｐウェルと、カソードとしてのｎエピ層２との間にＰＮ接合部を有する。図２に示したＴＪＢＳとは異なり、ここでは上記のｐウェルが上から下に向かって２つの領域に分割されている。高濃度にドーピングされたｐ+Ｓｉまたはｐ+ポリＳｉ８を有するトレンチ６の上側領域は、ｎエピ層２と共に急峻なＰＮ接合部になり、低濃度にドーピングされたｐ-ＳｉまたはｐポリＳｉ９を有する下側領域は、ｎエピ層２と共に段階付けされたＰＮ接合部になる。この下側領域の段階付けされたＰＮ接合部により、比較的高い降伏電圧および／または比較的低い順方向電圧を実現することができ、これに対して上記のトレンチの上側領域における上記の急峻なＰＮ接合部により、障壁低下効果の十分な遮断作用と、ひいては少ない漏れ電流とが得られる。
【００２２】
図４には本発明の第２実施例が示されている。図３に示したＴＪＢＳ変形実施形態との違いは、ここではトレンチ６の上側領域が、低濃度にドーピングされたｐ-ＳｉまたはｐポリＳｉ９により、また下側領域が、高濃度にドーピングされたｐ+Ｓｉまたはｐ+ポリＳｉ８によって充填されていることである。低濃度にドーピングされたｐ-ＳｉまたはｐポリＳｉを有する上側領域９は、ｎエピ層２と共に段階付けされたＰＮ接合部になり、また高濃度にドーピングされたｐ+Ｓｉまたはｐ+ポリＳｉ８を有するトレンチ６の下側領域は、ｎエピ層２と共に急峻なＰＮ接合部になる。トレンチの下側領域における急峻なＰＮ接合部により、障壁低下効果が良好に遮断され、これによって少ない漏れ電流を実現することができる。トレンチの上側領域における段階付けされたＰＮ接合部により、順方向電圧は、急峻なＰＮ接合部が全部に実施された場合ほどには上昇しない。この変形実施形態は、比較的降伏電圧が低いＴＪＢＳに有利である。
【００２３】
本発明の別の実施例を図５および図６に示す。図５の実施例３では上記のｐウェルが上から下に向かって３つの領域に分割されている。すなわち、中央領域は、高濃度にドーピングされたｐ+-Ｓｉまたはｐ+ポリＳｉ８によって充填されており、また下側領域および上側領域は、低濃度にドーピングされたｐ-Ｓｉまたはｐ-ポリＳｉ９によって充填されている。
【００２４】
図６の実施例４でも同様に上記のｐウェルが上から下に向かって３つの領域に分割されている。すなわち、中央領域は、低濃度にドーピングされたｐ-ＳｉまたはｐポリＳｉ９によって充填されており、また下側領域および上側領域は、高濃度にドーピングされたｐ+-Ｓｉまたはｐ+-ポリＳｉ８によって充填されている。図３および４に示したＴＪＢＳの変形実施形態と比べ、これらの２つの実施例では、プロセス実行時の付加的なコストが少ない構成素子を設計する際にはさらに多くの自由空間が得られる。本発明のＴＪＢＳ変形実施形態の順方向電圧が、ＰＮダイオードの順方向電圧よりも格段に小さい場合、本発明によるこのＴＪＢＳ変形実施形態では、従来のＪＢＳまたはＴＪＢＳの場合と同様にショットキーダイオードだけ通って電流が順方向に流れる。
【００２５】
本発明のＴＪＢＳ変形実施形態では、図２に示したＴＪＢＳと同様に挟み込み機能によって高いロバストネスが得られる。ＰＮダイオードの降伏電圧ＢＶ＿ｐｎを設計して、このＢＶ＿ｐｎが、ショットキーダイオードの降伏電圧ＢＶ＿schottkeyよりも低く、またこの降伏がｐウェルの下側領域と、ｎエピ層２との間のＰＮ接合部で発生するようにする。この場合、降伏動作時には逆電流がＰＮ接合部だけを通って流れる。したがって本発明のＴＪＢＳ変形実施形態は、ＰＮダイオードと類似のロバストネスを有する。ｐウェルにおいてドーピング濃度が均一なＴＪＢＳと比べて、本発明のＴＪＢＳ変形実施形態は、有利にもｐウェルを上から下に向かって複数の領域に分割することにより、構成素子設計に対して比較的大きな自由空間が得られる。これにより、降伏電圧、漏れ電流および順方向電圧などに対する要求を一層良好かつフレキシブルに満たすことができるのである。
【００２６】
本発明によるＴＪＢＳ変形実施形態の考えられ得る作製方法にはつぎのステップが含まれる。すなわち、
−  出発材料としてのｎ+基板
−  ｎエピタキシ
−  トレンチエッチング
−  上記のｐウェルのドーピングの組み合わせを設計した後、高濃度にｐ+ドーピングないしは低濃度にｐドーピングしたＳｉまたはポリＳｉで上記のトレンチを充填する
−  必要に応じて上記のトレンチの上側領域において薄いｐ+層を拡散する
−  前面側および背面側をメタライゼーションする、というステップが含まれている。
【００２７】
本発明のＴＪＢＳ変形実施形態では、上記のチップの縁部領域にはさらに縁部の磁場強度を低減するための付加的な構造を有することができる。これは、例えば低濃度にドーピングされたｐ領域、フィールドプレート、または従来技術に類似した相応の構造とすることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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