(57)【要約】  半導体デバイスおよびその製造方法が記載され、その際半導体デバイスはクランプエレメントとしてのＰＮダイオードを備えたトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ−ＰＮ）として実現されておりかつ従来のＴＳＢＳエレメントに対して、電気的な特性の整合を可能にするという付加的な特性を有している。ＴＳＢＳ−ＰＮダイオードは特有の製造方法によって作製されかつその物理的な特性において、それが自動車ゼネレータに対する整流器への使用に適しておりかつ更にＺダイオードとしても作動することができるように実現されている。
2008523596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオードを有する半導体デバイスにおいて、
付加的に集積されたＰＮダイオードがクランプエレメントとして存在している
ことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
集積されたＰＮダイオードを有するトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ−ＰＮ）は比較的低いバリヤ高さを有するショットキーダイオードと比較的高いバリヤ高さを有する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成っている
請求項１記載の半導体デバイス。
【請求項３】
ＰＮダイオードのブレークダウン電圧はショットキーダイオードのブレークダウン電圧よりも低い
請求項２記載の半導体デバイス。
【請求項４】
約２０Ｖのブレークダウン電圧を有するツェナーダイオードもしくはＺダイオードを形成する
請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項５】
ツェナーダイオードもしくはＺダイオードは高い電流によってブレークダウン作動可能である
請求項４記載の半導体デバイス。
【請求項６】
ｎ型シリコンエピタキシャル層（２）がｎ型基板（１）上に存在しておりかつカソード帯域として用いられ、かつ
２次元の表示において少なくとも２つのエッチングされたトレンチ（３）がｎ型エピタキシャル層（２）に存在しておりかつ
その下側の領域（７）がｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉによって充填されておりかつＰＮダイオードのアノード帯域として用いられ、その際
トレンチ（３）の深度はトレンチ（３）間にあるシリコン領域の幅Ｗｍより大きい
請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項７】
金属層（４）が半導体デバイスの裏面に存在しておりかつカソード電極として用いられる
請求項６記載の半導体デバイス。
【請求項８】
第１の金属（５）はトレンチ（３）を規定の高さまで充填し、以てｐ型ドーピングされたＳｉまたはポリＳｉ（７）に対するオーミックコンタクトおよびｎ型エピタキシャル層（２）に対するショットキーコンタクトが形成されかつアノード電極として用いられ、かつ
第２の金属（６）がトレンチ（３）の残りを充填し、以てｎ型エピタキシャル層（２）に対するショットキーコンタクトが形成されかつ同様にアノード電極として用いられる
請求項６または７記載の半導体デバイス。
【請求項９】
トレンチ（３）はｎ型エピタキシャル層（２）にエッチングにより製造されておりかつ矩形の形状またはＵ字形状を使用することができる
請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
ｎ型エピタキシャル層（２）とｐ型帯域（７）との間でキャリア補償が行われずかつその際にＷｍＮＤｅｐｉ＝ＷｔＮＡ＿ｇｒａｂｅｎｔが成り立ちかつＰＮダイオードのブレークダウンはｐ型トレンチの底部において行われる
請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
第１の金属（５）とトレンチ（３）の側壁との間に酸化層が存在している
請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
トレンチ（３）はストリップ配置においてまたはアイランドとして配置されており、その場合アイランドは円形形状、六角形またはその他いずれかに形成されていてよい
請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
当該半導体デバイスは車両におけるゼネレータに対する整流器の構成部分として使用されかつ殊にＺダイオードとして作動される
請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項記載の半導体デバイスを製造するための方法において、ｎ型基板にエピタキシャルを用いて第１の層（２）が被着され、かつ該第１の層（２）にトレンチ（３）がエッチングされ、かつ該トレンチ（３）にｐ型ドーピングされたシリコンまたはポリシリコンが充填され、かつ該トレンチ（３）においてｐ型ドーピングされたシリコンまたはポリシリコンの一部がエッチングされかつ有利には第１の金属が規定の厚さにエッチングされ、かつ該トレンチの残りが第２の金属により充填されかつ基板の裏面に金属化が施される
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
付加的にステップ：トレンチ（３）の表面の酸化およびトレンチ（３）の底部および側壁での酸化物の規定の高さへのエッチングが行われる
請求項１４記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の半導体デバイス並びにその製造方法に関する。その際上位概念に記載の形式の半導体デバイスはトレンチ・ショットキー・バリア・ショットキーダイオードである。
【０００２】
最近の自動車では、電気的な素子を用いた機能がますます沢山実施されるようになっている。これにより、電力需要が益々高くなっている。この需要を満たすために、自動車におけるジェネレータシステムの効率は向上されなければならない。
【０００３】
今日まで一般に、自動車のジェネレータシステムではＺダイオードとしてのＰＮダイオードが整流器として使用される。ＰＮダイオードの利点は、遮断電流が低いこととロバストネスが高いことである。ＰＮダイオードの主な欠点は、順電圧ＵＦが高いことである。室温では電流はＵＦ＝０．７Ｖで漸く流れ始める。しかも通例の作動条件、例えば５００Ａ／ｃｍ２の電流密度では、ＵＦは１Ｖを超えるまでに上昇するが、これでは効率の損失は無視できないことになる。
【０００４】
択一例としてショットキーダイオードを使用することができる。ショットキーダイオードは、５００Ａ／ｃｍ２の高い電流密度においてＰＮダイオードより著しく低い順電圧、例えば０．５Ｖないし０．６Ｖを有している。またショットキーダイオードは多数キャリア素子として高速スイッチング作動において効果を発揮する。しかし今日までショットキーダイオードを自動車のゼネレータシステムに使用してはいない。その原因はショットキーダイオードには重大な欠点があるからである：
１）  ＰＮダイオードと比べてリバース電流が高いこと、
２）  リバース電流の、逆もしくは阻止電圧に対する依存性が高いことおよび
３）  殊に高温時にロバストネスが悪いこと。
【０００５】
従来のショットキー・ダイオードは、エッチングにより実現される溝（トレンチ）を形成することにより、電気的な特性を変えることができる。この種発展形態のショットキーダイオードはトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（Trench-Schottky-Barrier-Schottky-Diode＝ＴＳＢＳ）とも称される。この形式の公知の半導体デバイスに対する１例が図１に示されている。
【０００６】
しかし公知のトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオードは、Ｚダイオードとして自動車ゼネレータシステムに使用されるために要求される必要ロバストネスを有していない。
【０００７】
発明の利点
これに対して請求項１の特徴部分に記載の構成を有する本発明の半導体デバイスはロバストネスが高いという利点を有し、それ故にＺダイオードとして自動車ゼネレータシステムに使用されるのに適している。
【０００８】
この利点は、トレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳダイオード）がクランピングエレメントとしての集積されたＰＮダイオードを備えていることによって実現される。ＰＮダイオードのブレークダウン電圧がショットキーダイオードのブレークダウン電圧よりも低くなるように、付加的なｐウェルは定められる。
【０００９】
本発明の別の利点は、従属請求項に記載された構成によって得られる。
【００１０】
トレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳダイオード）にクランピングエレメントとして集積されているＰＮダイオードを備えることによって（ＴＳＢＳ−ＰＮ）、特別有利な手法で、ダイオードをＺダイオードとして作動させることが可能である。Ｚダイオードのブレークダウン電圧が約２０Ｖであればこのものは自動車ゼネレータシステムに使用するのに適しており、ゼネレータの整流器の整流器エレメントとして使用することができる。
【００１１】
バリエーション１またはバリエーション２による本発明の半導体デバイスの製造は、異なっているバリエーションに整合されている適当な方法を用いて行われる。
【００１２】
図面
図１は公知のトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ）を示し、
図２はトレンチの下側領域にＰドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメントとしてのＰＮダイオードが集積されているトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオードである本発明の第１実施例（ＴＳＢＳ−ＰＮ）を示しかつ
図３はバリア酸化物およびトレンチの下側領域にＰドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメント（ＴＳＢＳ−ＰＮ）としてのＰＮダイオードが集積されている本発明の第２実施例（ＴＳＢＳ−ＢＯＰＮ）を示している。
【００１３】
実施例の説明
図１に示されているように、トレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ）はｎ＋基板１と、ｎドーピングされたエピタキシャル層２と、このｎエピタキシャル層２にエッチングにより実現されている、深さＤｔの少なくとも２つの溝（トレンチ）３と、チップの裏面にオーミックコンタクトもしくはカソード電極として実現されている金属層４とから成っている。２つのトレンチ３は最初、厚さＤｍ１の金属５が充填されかつ引き続いて第２の金属６によって被覆される。第２の金属６はトレンチの残りを厚さＤｍ２を以て充填する。チップ表面の２つの金属５および６はショットキーコンタクトもしくはアノード電極として用いられる。
【００１４】
第２の金属６は通例、第１の金属５より小さなバリア高さを有している。電気的に見るとＴＳＢＳは、異なった高さのバリアを有している２つのショットキーダイオードの組み合わせである：
アノードとしての金属５とカソードとしてのｎエピタキシャル層２との間のショットキーバリアを有する１つのショットキーダイオードおよび
アノードとしての金属６とカソードとしてのｎエピタキシャル層２との間のショットキーバリアを有する第２のショットキーダイオード。
【００１５】
流れの方向（順方向）において、少なくとも２つの金属のバリア高さが著しく相異しているとき、電流は主に比較的低いバリアを有している上側の金属６に向かってと、トレンチの相応の側壁にも流れる。Ｄｍ２＞Ｗｔが成り立つ場合、ＴＳＢＳにおける流れ方向での電流の実効面積は従来のプレーナ型ショットキーダイオードに比べると大きい。
【００１６】
阻止方向において比較的大きなバリア高さを有する第１の金属５が空間電荷帯域の拡がりを大きくするのに役立つ。空間電荷帯域は電圧が上昇するにつれて拡大しかつＴＳＢＳのブレークダウン電圧よりも小さい電圧において隣接するトレンチ３間の領域の真ん中で衝突する。これにより、高いリバース電流の原因となるショットキー効果が遮蔽され、リバース電流が低減される。この遮蔽効果は、図１を参照するに、構造パラメータＤｔ（トレンチの深さ）、Ｗｍ（トレンチ間の距離）、Ｗｔ（トレンチの幅）、並びにＤｍ１（第１の金属の厚み）に強く依存している。トレンチ３間のメサ領域での空間電荷帯域の拡がりは、ＤｔがＷｍより著しく大きい場合には、ほぼ１次元的である。
【００１７】
ＴＳＢＳの特殊性は２つの金属の組み合わせであり、これにより、順電圧および遮蔽特性に関する構造のある程度の分離が可能になる。順電圧ＵＦおよびリバース電流ＩＲ０の初期値は専ら、比較的低いバリアを有する第２の金属６によって影響される。第２の金属６の割合が大きければ大きいほど、ＵＦは低くかつＩＲ０は高い。他方において比較的高いバリアを有する第１の金属５はリバース電流の電圧依存性、ブレークダウン電圧および高いリバース電流における電流分布を決定する。それ故にＴＳＢＳは２つの金属の組み合わせによる可能な最適化を提供するものである。厚みＤｍ１およびＤｍ２も２つの金属層のバリア高さもパラメータとして使用することができる。
【００１８】
しかしＴＳＢＳのいくばくかの欠点としてトレンチ底部におけるショットキーコンタクトが弱いことがある。その理由はそこは、ブレークダウンの際に高い電界、結果として高いリバース電流密度も生じるからである。トレンチ底部における境界層の不均質性に基づいて、ＴＳＢＳをＺダイオードとして使用しかつブレークダウン領域において作動させることは望ましくない（ドリフト、Ｑリスク）。
【００１９】
この種のＴＳＢＳエレメントは次のように製造される：ｎエピタキシャル層２をエッチングすることによりトレンチ３を形成し、トレンチ３に第１の金属５を充填し、場合によっては第１の金属を規定の厚みにバックエッチし、かつトレンチの残りに第２の金属６を充填する。
【００２０】
本発明の実施例の２つのバリエーションは図２および図３に図示されている。
【００２１】
バリエーション１：トレンチの下側の領域にｐドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメントとしてのＰＮダイオードが集積されているトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ−ＰＮ）が図２に図示されている。
【００２２】
図示されているように、本発明の第１実施例のＴＳＢＳ−ＰＮはｎ＋基板１と、ｎ型エピタキシャル層２と、このｎ型エピタキシャル層２にエッチングにより形成されている、深さＤｔの少なくとも２つの溝（トレンチ）３と、チップの裏面にオーミックコンタクトもしくはカソード電極として実現されている金属層４とから成っている。トレンチ３の下側の領域７はｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉにより高さＤｐまで充填される。それからトレンチは厚さＤｍ１の金属５によって充填され、以てｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉに対するオーミックコンタクトによりおよびｎ型エピタキシャル層２に対するショットキーコンタクト（アノード電極）が形成されかつ引き続いて第２の金属６により被覆される。第２の金属６は厚さＤｍ２を有するトレンチの残りを満たし、以てｎ型エピタキシャル層２に対するショットキーコンタクトが形成されかつ同様にアノード電極として用いられる。電気的に見てＴＳＢＳ−ＰＮは、異なったバリア高さを有する２つのショットキーダイオードと、アノードとしてのｐ型ウェル７およびカソードとしてのｎ型エピタキシャル層２を有するＰＮダイオードとの組み合わせである。
【００２３】
ＴＳＢＳ−ＰＮでは電流は順方向に上側のショットキーダイオードを通ってのみ流れる。下側のショットキーダイオードおよびＰＮダイオードは使用されない。トレンチの側壁におけるショットキーコンタクトは、２Ｄｍ２＞Ｗｔが成り立つ場合、従来のプレーナ型ショットキーダイオードと比べて順方向における電流に対するより大きな有効面積が生じるようにする。阻止方向ではショットキー・バリアにおいてもＰＮ接合においても空間電荷帯域が形成される。空間電荷帯域は電圧が上昇するにつれて拡大しかつＴＳＢＳ−ＰＮのブレークダウン電圧よりも小さい電圧において隣接するトレンチ３間の領域の真ん中で衝突する。これにより、高いリバース電流の原因となるショットキー効果が遮蔽され、リバース電流が低減される。この遮蔽効果は、図２を参照するに、構造パラメータＷｍ（トレンチ間の距離）、Ｗｔ（トレンチもしくはｐ型ウェルの幅）、Ｄｐ（ｐドーピングされているＳｉまたはポリＳｉを有するトレンチ部分の深さ）、並びにＤｍ１（第１の金属５の厚み）に強く依存している。
【００２４】
ＴＳＢＳ−ＰＮはＴＳＢＳと同様にショットキー効果の類似の遮蔽作用を使用しているが、付加的にＰＮダイオードのクランピング機能を集積していることで高いロバストネスを呈するものである。ＰＮダイオードのブレークダウン電圧は、ＢＶ＿ｐｎがショットキーダイオードのブレークダウン電圧ＢＶ＿ｓｃｈｏｔｔｋｙよりも低いように選定されている。ブレークダウンはトレンチ底部において行われかつＴＳＢＳ−ＰＮのブレークダウン電圧はＢＶ＿ｐｎによって決められる。それ故にショットキーコンタクトの近傍に高い電界強度が存在せずかつその場合ブレークダウン作動においてリバース電流はＰＮ接合を介してのみ流れるのであって、従来のＴＳＢＳの場合のようにショットキーコンタクトを通っては流れない。以てＴＳＢＳはＰＮダイオードのロバストネスを利用できる。従ってＴＳＢＳ−ＰＮはＺダイオードとして申し分なく適している。
【００２５】
ＴＳＢＳ−ＰＮの製造方法、バリエーション１
ステップ１：単結晶のｎ基板が出発材料として用いられる。
ステップ２：エピタキシャル法において同様に単結晶のｎドーピングされた層２が被膜される。
ステップ３：トレンチエッチングを用いてトレンチ３が層２内にエッチングされる。
ステップ４：トレンチ３をｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉによって充填する。
ステップ５：トレンチ３におけるｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉの部分の、場合によっては部分的なエッチング。
トレンチ３を第１の金属５で充填する。ステップ７：第１の金属５の、規定の厚さへの場合によるエッチング。
ステップ８：トレンチ３の残りに第２の金属６を充填する。
ステップ９：裏面の金属化、すなわちチップの裏面に金属層４を被着する。
【００２６】
図３にはバリエーション２の別の本発明の実施例が示されている：トレンチの下側の領域にバリヤ酸化物およびｐドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメントとしてのＰＮダイオード（ＴＳＢＳ−ＰＮ）が集積されているトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ−ＢＯＰＮ）。
【００２７】
図３に示されているように、バリエーション１との差異は、バリエーション２には第１の金属５とトレンチ３の側壁との間に酸化層８が導入されることである。これにより付加的なバリヤ酸化物構造（トレンチＭＯＳストラクチャ）が実現される。それ故にこのバリエーションはＴＳＢＳ−ＢＯＰＮとも冠される。ここで重要なストラクチャパラメータとして酸化物厚みＴｏもある。
【００２８】
比較的低いバリヤを有する第２の金属６は、バリエーション１の場合のように、順電圧を下げる。トレンチ底部におけるｐｎ接合はブレークダウンを決めかつクランプエレメントとして用いられる。
【００２９】
バリエーション２の、バリエーション１に対する利点は一方において遮蔽作用が改善されることであり、それ故にリバース電流が低減される。この利点は、今や下側のショットキーコンタクトに代わっているトレンチＭＯＳストラクチャによって規定されている。この効果は金属５のバリヤが高くなるに従って幾分増強される。
【００３０】
確かにバリエーション２はＭＯＳストラクチャを含んでいるが、敏感な酸化物内および隣接しているＳｉ領域において高い電界強度は発生しない。それ故にＴＳＢＳ−ＢＯＰＮでは「ホットな」キャリアを注入をおそれる必要がない。従ってＴＳＢＳ−ＢＯＰＮはＰＮダイオードのようにロバストネスを利用でき、Ｚダイオードとしての作動に申し分なく適している。
【００３１】
ＴＳＢＳ−ＰＮ（ＴＳＢＳ−ＢＯＰＮ）の製造方法、バリエーション２：
ステップ１：単結晶のｎ基板が出発材料として用いられる。
ステップ２：エピタキシャル法においてｎドーピングされた層２が被膜される。
ステップ３：トレンチエッチングを用いてトレンチ３がエッチングされる。
ステップ４：トレンチ３をｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉによって充填する。
ステップ４：トレンチ３におけるｐドーピングされたＳｉまたはポリＳｉの部分をエッチングする。
ステップ５：トレンチ３の表面を酸化する。
ステップ６：トレンチ３の底部および側壁における酸化物を規定の高さにエッチングする。
ステップ７：トレンチ３を第１の金属５で満たす。
ステップ８：第１の金属を規定の厚さへ必要に応じてエッチングする。
ステップ９：トレンチ３の残りに第２の金属を充填する。
ステップ１０：チップの裏面を金属化する。
【００３２】
バリエーション１もバリエーション２もチップのエッジ領域において更に、縁電界強度を低減するという付加的なストラクチャを有している。これは、例えば、低ドーピングｐ領域、磁気抵抗素子または従来技術に相応する類似のストラクチャであってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】公知のトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオード（ＴＳＢＳ）の断面略図
【図２】トレンチの下側領域にＰドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメントとしてのＰＮダイオードが集積されているトレンチ・ショットキー・バリヤ・ショットキーダイオードである本発明の第１実施例（ＴＳＢＳ−ＰＮ）の断面略図
【図３】バリア酸化物およびトレンチの下側領域にＰドーピングされたシリコンまたはポリシリコンを有しているクランピングエレメント（ＴＳＢＳ−ＰＮ）としてのＰＮダイオードが集積されている本発明の第２実施例（ＴＳＢＳ−ＢＯＰＮ）の断面略図
【図１】
2008523596.tif 000003
【図２】
2008523596.tif 000004
【図３】
2008523596.tif 000005
【国際調査報告】
2008523596.tif 000006
2008523596.tif 000007
2008523596.tif 000008
2008523596.tif 000009
2008523596.tif 000010
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