Titel

Feldeffekttransistor mit integrierter TJBS-Diode

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein

Leistungshalbleiterbauelement, speziell einen Leistungs-MOS- Feldeffekttransistor mit integrierter Trench Junction Barrier Schottky (TJBS) Diode. Ein solchen Leistungshalbleiterbauelement kann beispielsweise bei Synchrongleichrichtern für Generatoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren werden seit Jahrzehnten als schnelle Schalter für Anwendungen in der Leistungselektronik eingesetzt. Neben planaren, doppelt diffundierten Strukturen (DMOS) werden auch Leistungs- MOSFETs mit Grabenstrukturen (TrenchMOS) eingesetzt. Bei Anwendungen mit sehr schnellen Schaltvorgängen, bei denen auch kurzzeitig Strom über die Bodydiode des MOSFETs fließt, z. B. bei Synchrongleichrichtern, DC-DC- Konvertern usw., wirken sich allerdings Durchlass- und Schaltverluste der pn- Bodydiode nachteilig aus. Als mögliche Abhilfe wird eine Parallelschaltung von MOSFET , z.B. mit seiner integrierten pn-Bodydiode und einer Schottkydiode vorgeschlagen.

So ist aus der Patentschrift US-5111253 eine Kombination von DMOS mit integrierter Schottky Barrier Diode (SBD) bekannt. Dem Vorteil von einer geringeren Flussspannung und geringeren Ausschaltverlusten steht bei

Schottkydioden der Nachteil eines höheren Sperrstromes entgegen. Neben dem prinzipiell durch die Barriere des Metall-Halbleiter-Übergangs verursachten Sperrstrom tritt noch ein sperrspannungsabhängiger Anteil, verursacht durch das sogenannte Barrier- Lowering (BL), auf. In US-2005/0199918 wird eine Kombination von TrenchMOS mit integrierter Trench-MOS-Barrier Schottkydiode (TMBS) vorgeschlagen. Damit kann der nachteilige BL- Effekt weitgehend unterdrückt werden.

Fig.l zeigt einen vereinfachten Querschnitt einer Anordnung eines TrenchMOS mit integrierter MOS- Barriere-Schottkydiode (TMBS). Auf einem hoch n ⁺ - dotierten Siliziumsubstrat 1 befindet sich eine n -dotierte Siliziumschicht 2 (EpiSchicht) in die eine Vielzahl von Gräben (Trenches) 3 eingebracht sind. An den Seitenwänden und am Boden der Gräben befindet sich eine dünne, meist aus Siliziumdioxid bestehende, dielektrische Schicht 4. Das Innere der Gräben ist mit einem leitfähigen Material 5, z. B. mit dotiertem Polysilizium, ausgefüllt. Bei der Mehrzahl der Gräben befindet sich eine p - dotiere Schicht (p-well) 6 zwischen den Gräben.

In diese p-dotierte Schicht sind an der Oberfläche hoch n ⁺ -dotierte Bereiche 8 (Source) und hoch p ⁺ - dotierte Bereiche 7 (zum Anschluss der p - well) eingebracht. Die Oberfläche der gesamten Struktur ist mit einer geeigneten, leitfähigen Schicht 9, z. B. mit Ti oder Titansilizid bedeckt. In den Bereichen bei denen ein Kontakt mit den p ⁺ - bzw. n ⁺ - dotierten Schichten 7 und 8 besteht, wirkt die leitfähige Schicht 9 als ohmscher Kontakt. In den Bereichen zwischen den Gräben, die nicht in einer p - dotierte Schicht 6 eingebettet sind, wirkt die leitfähige Schicht 9 als Schottkykontakt mit den darunterliegenden n - dotierten Bereichen 2. Über der leitfähigen Schicht 9 befindet sich i. a. noch eine dickere, leitfähige Metallschicht, bzw. ein Schichtsystem aus mehreren Metallschichten. Diese als Sourcekontakt wirkende Metallschicht 10 kann eine in der

Siliziumtechnologie übliche Aluminiumlegierung mit Kupfer- und / oder

Siliziumanteilen, oder ein sonstiges Metallsystem sein. Auf der Rückseite ist ein übliches, lötfähiges Metallsystem 11, z. B. aus einer Schichtenfolge, Cr, NiV und Ag aufgebracht. Das Metallsystem 11 dient als Drainkontakt. Die

Polysilizumschichten 5 sind miteinander und mit einem nicht eingezeichneten Gatekontakt galvanisch verbunden.

Elektrisch ist die Schottkydiode also die Bereiche in denen die Metallschicht 9 das n - dotierte Silizium 2 kontaktiert, zur Bodydiode des MOSFETS, also der p - dotierten Schicht 6 und n - dotierten Schicht 2 parallel geschaltet. Wird Sperrspannung angelegt, bilden sich Raumladungszonen zwischen den den Schottkykontakten benachbarten Trenchstrukturen aus und schirmen das elektrische Feld von den eigentlichen Schottkykontakten also dem Übergang 9 - 2 ab. Durch das geringere Feld am Schottkykontakt wird der BL- Effekt reduziert, d. h. ein Sperrstromanstieg mit zunehmender Sperrspannung verhindert. Infolge der geringeren Flussspannung der Schottkydiode wird die pn - Bodydiode nicht in Flussrichtung betrieben. Als Inversdiode des MOSFET wirkt deshalb die Schottkydiode 9 - 2.

Da bei einer Schottkydiode keine gespeicherte Ladung von Minoritätsträgern ausgeräumt werden muss, ist im Idealfall nur die Kapazität der

Raumladungszone zu laden. Die durch das Ausräumen auftretenden hohen Rückstromspitzen einer pn- Diode treten nicht auf. Mit der Integration einer Schottkydiode wird das Schaltverhalten des MOSFETs verbessert, Schaltzeit und -Verluste sind geringer.

Für manche Anwendungen ist es vorteilhaft, den MOSFET auch im

Avalancedurchbruch betreiben zu können. Spannungsspitzen können durch die Bodydiode begrenzt werden. Infolge des immer vorhandenen parasitären NPN - Transistors in MOSFETs kann es zu ungewünschten, zerstörenden

Durchbrüchen der NPN-Struktur kommen. Dieser Betrieb ist deshalb i. a. nicht zugelassen. Im Fall der integrierten TMBS Diode ist ein solcher Betreib prinzipiell mögliche, aber wegen der dann auftretenden Ladungsträgerinjektion in die MOS- Struktur der TMBS aus Qualitätsgründen nicht zu empfehlen.

In US2006/0202264 wird vorgeschlagen, in einen TrenchMOS zusätzlich sogenannte Junction Barrier Schottky Dioden zu integrieren. Junction Barrier Schottky Dioden sind planare Schottkydioden, in denen flache Bereiche mit zur Substratdotierung entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eindiffundiert sind, z. B. p-dotierte Bereiche in n-dotiertem Substrat. Bei Anlegen von Sperrspannung wachsen die Raumladungszonen zwischen den p-dotierten Bereichen

zusammen und schirmen das elektrische Feld etwas vom Schottkykontakt ab. Der BL- Effekt ist dadurch etwas reduziert, allerdings ist die Wirkung wesentlich geringer als bei einer TMBS-Struktur. Mit einer solchen Anordnung ist ein Betrieb des MOSFETs im Avalanchedurchbruch ohne Gefahr einer Aufsteuerung und Zerstörung des parasitären npn-Transistors möglich.

Offenbarung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement kann in vorteilhafter Weise der Barrier-Lowering- Effekt (BL-Effekt), der bei herkömmlichen

Bauelementen auftritt, wirksam unterdrückt werden. Dazu wird vorgeschlagen, in einen Leistungs-MOSFET zusätzlich TJBS - Dioden (Trench MOS Barrier Schottky) zu integrieren. Die Durchbruchsspannung der TJBS-Struktur kann dabei größer oder kleiner als die Durchbruchsspannung der - weiterhin vorhandenen PN-Bodydiode - gewählt werden. Im Fall dass die

Avalanchedurchbruchsspannung (Z-Spannung) der TJBS-Struktur kleiner als die Durchbruchsspannung des NPN-Transistors bzw. der pn-Bodydiode ist, kann das Bauelement sogar bei höheren Strömen im Durchbruch betrieben werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird in den Figuren der Zeichnung dargestellt und in der

Beschreibung erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1: Schematischer, ausschnittsweiser Querschnitt eines Leistungs-Trench- MOS- Feldeffekttransistors mit integrierter TMBS-Diode gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2: Schematischer, ausschnittsweiser Querschnitt einer ersten

erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 3: Schematischer, ausschnittsweise gezeigter Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 4: Schematischer, ausschnittsweise gezeigter Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 5: Schematischer, ausschnittsweise gezeigter Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung mit integrierten TJBS-Strukturen.

Detaillierte Beschreibung

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch und auszugsweise im Querschnitt gezeigt. Dabei handelt es sich um eine

monolithisch integrierte Struktur, die einen MOS- Feldeffekttransistor und eine TJBS-Diode enthält. Auf einem hoch n ⁺ - dotierten Siliziumsubstrat 1 befindet sich eine n - dotierte Siliziumschicht, beispielsweise eine Epi-Schicht 2, in die eine Vielzahl von Gräben (Trenches) 3 eingebracht sind. Die meisten Trenches sind wiederum an den Seitenwänden und am Boden mit einer dünnen, meist aus Siliziumdioxid bestehenden, dielektrischen Schicht 4 versehen. Bei diesen Gräben ist das Innere wieder mit einem leitfähigen Material 5, z. B. mit dotiertem Polysilizium, ausgefüllt. Die Polysilizumschichten 5 sind miteinander und mit einem nicht eingezeichneten Gatekontakt galvanisch verbunden.

Zwischen diesen Gräben befindet sich eine p - dotierte Schicht (p-well) 6. In diese p-dotierte Schicht sind an der Oberfläche hoch n ⁺ -dotierte Bereiche 8 (Source) und hoch p ⁺ - dotierte Bereiche 7, die zum Anschluss der p - well dienen, eingebracht. An einigen Bereichen des Bauelementes befindet sich zwischen den Gräben keine p - dotiere Schicht (p-well) 6, sondern nur die n- dotierte Epischicht 2. Diese Gräben sind auch nicht mit einer

Siliziumdioxidschicht 4 versehen, sondern mit p-dotiertem Silizium oder

Polysilizium 12 ausgefüllt.

Dabei sind die Gräben entweder vollständig - wie in Fig. 2 gezeigt - ausgefüllt, oder können nur die Oberfläche der Trenchwände und -böden bedecken. An der Oberseite können diese p-dotierten Bereiche mit hoch p ⁺ -dotierten Silizium ganzflächig oder nur teilweise aufdotiert sein, um ein bessere ohmsche

Kontaktierung mit dem darüber liegenden Metall oder Silizid 9 zu erreichen. Aus Günden der Übersichtlichkeit ist diese Schicht in den Abbildungen nicht eingezeichnet. Die Tiefe der Gräben beträgt bei einem (20-4O)VoIt Bauelement ca. 1 - 3 μm, der Abstand zwischen den Gräben, das Mesagebiet, ist dann typischerweise kleiner als 0,5 Mikrometer. Natürlich sind die Dimensionen nicht auf diese Werte beschränkt. So werden z. B. bei höher sperrenden MOSFETs vorzugsweise tiefere Gräben und breitere Mesagebiete gewählt. An die jeweils äußersten mit p-dotierten Material aufgefüllten Graben schließt sich die bekannte p - dotiere Schicht (p-well) 6 an. Allerdings befinden sich in dem Abschnitt bis zum nächsten, mit Siliziumdioxid 4 und Polysilizium 5 gefüllten Graben jeweils keine hoch n ⁺ -dotierte Bereiche 8 und meist auch keine hoch p ⁺ - dotierten Bereiche 7.

An den Stellen des Trenches bzw. Gräben, die mit p-dotiertem Silizium gefüllt sind, ist die Epischicht 2 mit einem Schottkymetall 9, z. B. mit Titansilizid kontaktiert. Der Übergang 9-2 bildet die eigentliche Schottkydiode. Wird

Sperrspannung angelegt, bilden sich Raumladungszonen zwischen den den Schottkykontakten benachbarten, mit p-Silizium gefüllten, Trenchstrukturen aus und schirmen das elektrische Feld von den eigentlichen Schottkykontakten (Übergang 9 - 2) ab. Durch das geringere Feld am Schottkykontakt wird der BL- Effekt reduziert, d. h. ein Sperrstromanstieg mit zunehmender Sperrspannung verhindert.

Der Bereich I stellt eine sogenannte Trench-Junction Barrier-Schottky Diode (TJBS) dar. Die Dotierung der p-Schicht 12 ist so gewählt, dass die

Durchbruchsspannung UZ_TJBS zwischen der p-Schicht 12 und der n-dotierten Epischicht 2 (TJBS) kleiner als die Durchbruchsspannung UZ_SBD der

Schottkydiode 9-2 ist. Üblicherweise ist die Durchbruchsspannung auch kleiner als die Durchbruchsspannung der pn-lnversdiode 6-2 bzw. der

Durchbruchsspannung des parasitären NPN-Transistors der sich aus den Bereichen 8, (7,6) und 2 zusammensetzt.

Analog zu einer bekannten Anordnung nach Fig. 1 wird mit einer Anordnung gemäß Fig. 2 ein verbessertes Schaltverhalten erzielt, ohne die

Sperrstromnachteile einer einfachen Schottkydiode zu haben. Im Gegensatz dazu eignet sich die Anordnung auch zur zuverlässigen Spannungsbegrenzung. Über der leitfähigen Schicht 9 befindet sich wie im Fall von Fig. 1 i. a. wieder eine dickere, leitfähige Metallschicht, bzw. ein Schichtsystem aus mehreren

Metallschichten (Sourcekontakt). An der Rückseite des Bauelementes dient das Metallsystem 11 als Drainkontakt. Die Polysilizumschichten 5 sind miteinander und mit einem nicht eingezeichneten Gatekontakt galvanisch verbunden. In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Anordnung mit einer monolithisch integrierten Struktur, die einen MOS- Feldeffekttransistor und eine TJBS-Diode umfasst, gezeigt. Struktur, Funktion und Bezeichnung sind mit Ausnahme des inneren Bereichs mit der

erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 identisch. Im Unterschied dazu sind die inneren Trenches, die Trenches der TJBS, nicht mit p-dotiertem Silizium oder Polysilizium, sondern ganz oder teilweise mit Metall gefüllt. An den

Seitenwänden und am Boden dieser Trenches schließt sich ein flaches hoch p+ - dotiertes Gebiet 13 mit einer Eindringtiefe von kleiner als lOOnm an. Dieses Gebiet ist mit der Metallschicht 9 ohmsch kontaktiert.

Die Gebiete 13 können z. B. mit Hilfe einer Diboran-Gasphasenbelegung mit anschließendem Diffusions- oder Ausheizschritt z. B. Rapid Thermal Annealing RTP, erzeugt werden. Dotierung und Diffusions- bzw. Ausheizschritt werden so gewählt, dass die entsprechende Durchbruchsspannung UZ_TJBS erreicht wird. Alle weiteren Varianten der erfindungsgemäßen Anordnungen können wahlweise mit p-dotiertem Silizium oder Polysilizium ausgefüllten Gräben 12 ausgeführt werden.

In FIG. 4 ist eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Dabei stehen den Trenches der TJBS Trenches mit Gatestruktur gegenüber. Wenn der MOSFET im Durchbruch betrieben werden soll, werden die

Durchbruchsspannungen wieder so eingestellt, dass die TJBS die niedrigste Spannung aller Strukturen aufweist.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 - 4 befinden sich die äußersten Trenchstrukturen des TJBS entweder im Kontakt mit dem Bodygebiet 6, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, oder sie sind wie in Fig. 4 gegenüber den MOS-Trenchstrukturen angeordnet. Die Trenches bzw. Gräben der TJBS können sich aber auch in einem gewissen Abstand, wie in Fig. 5 gezeigt, zwischen p-dotierten Bodygebieten 6 befinden. Dabei können sich die TJBS- Strukturen in Inneren des MOSFET-Chips befinden, oder am Chiprand angeordnet sein. Die bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösungen gewählten

Halbleitermaterialien und Dotierungen sind beispielhaft. Es könnte auch jeweils statt n-Dotierung p. Dotierung und statt p-Dotierung n-Dotierung gewählt werden.