TW578312B - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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578312 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ______B7五、發明説明（彳） [發明所屬之技術領域] 本發明係關於交互配置PN連接整流部及肯特基勢壘 整流部之半導體元件及其製造方法。 [先前技術] 在半導體元件之表面交互配置著PN連接整流部及肯 特基勢壘整流部之構造（以下稱爲jBS構造）的半導體元 件，亦即，〗BS構造之肖特基勢壘二極體爲大家所熟知。 JBS 係 Junction Barrier Schottky 之縮寫。此；FBS 構造之二 極體，係由N +型半導體基體、在其上面形成之N型的晶 膜層、在此N型晶膜層上形成島狀之複數P +型半導體區 域、陽極、及陰極所構成。 陽極和P+型半導體區域爲低阻抗性接觸（歐姆接觸 )，和N型晶膜層爲肖特基接觸。陰極和N +型半導體基 體爲低阻抗接觸（歐姆接觸）。 上述之二極體中，順向電流主要會經由形成於陽極及 N型晶膜層之界面的肖特基勢壘流過。另一方面，對二極 體施加反向之電壓時，形成於P +型半導體區域及N型晶 膜層之界面的PN連接擴展而成之空乏層，在N型晶膜層 之表面側會有良好的擴散。因此，反向電流（漏電電流） 之流動會因此空乏層而受到抑制，結果，可提高反向擊穿 電壓。亦即，；ί BS構造之二極體兼具PN二極體之特性及 肯特基勢壘二極體之特性。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 »線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -5- 578312 A7 __B7_ 五、發明説明（2 ) [發明內容] 本發明欲解決之課題如下所示。 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上述所示，JBS構造之肖特基勢壘二極體會在陽極 下部形成P+型半導體區域，藉以減少反向漏電電流。然 而，此P+型半導體區域在順向動作時，並不具實質機能 ，亦即，爲不活動性半導體區域。因此，欲增加元件之電 流容量則必須增大元件之面積。元件之面積若增大，當然 會招致元件之高成本化。 因此，本發明之目的就是針對交互配置著PN連接整 流部及肯特基勢壘整流部之半導體元件縮小元件面積或增 大電流容量。 本發明之解決課題的手段如下所示。 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 爲了解決前述且達成前述目的，本發明係提供一種半 導體元件，其特徵爲具有：具第1及第2主面的半導體基 板、形成於前述第1主面上之第1電極、以及形成於前述 第2主面上之第2電極，前述半導體基板具有：第1半導 體區域，以從前述第2主面露出之方式配置，且具有第1 導電型；第2半導體區域，和前述第1半導體區域相鄰配 置，具有低於前述第1半導體區域之雜質濃度，且具有第 1導電型；第3半導體區域，以從前述半導體基板之前述 第1主面露出之方式配置，且剖面形狀上，係以特定間隔 並置複數之部分或區域，且具有高於前述第2半導體區域 之雜質濃度，且具有第1導電型，且從前述第1主面之深 度設定爲未達到前述第1半導體區域；以及第4半導體區 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ ~ -6- 578312 A7 _______ B7 五、發明説明（3 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 域’以從前述半導體基板之前述第1主面露出之方式配置 ’且剖面形狀上，係配置於前述第3半導體區域之前述複 數部分或區域之間，且從前述第1主面之深度設定爲和前 述第3半導體區域之深度相同或較淺，且具有和第1導電 型相反之第2導電型；且，前述第1電極和前述第3半導 體區域爲肯特基接觸，且和前述第4半導體區域爲低阻抗 接觸，前述第2電極和前述第1半導體區域爲低阻抗接觸 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而且，前述半導體裝置應以：利用磊晶成長形成在第 1導電型之第1半導體區域上具有第1導電型，且具有低 於前述第1半導體區域之雜質濃度的第2半導體區域之步 驟；利用將第1導電型之雜質擴散至前述第2半導體區域 ’形成從前述第2半導體區域之主面露出，且剖面形狀上 ’係以特定間隔並置複數之部分或區域，且高於前述第2 半導體區域之雜質濃度，且具有第1導電型，且深度未達 到前述第1半導體區域之第3半導體區域的步驟；利用將 和第1導電型相反之第2導電型的雜質擴散至前述第2半 導體區域，形成從前述第2半導體區域之主面露出，且剖 面形狀上，係配置於前述第3半導體區域之前述複數部分 或區域之間，且具有和前述第3半導體區域相同或較淺之 擴散深度，且具有第2導電型之第4半導體區域的步驟； 以及形成和前述第3半導體區域爲肯特基接觸，且和前述 第4半導體區域爲低阻抗接觸之第1電極、及形成和前述 第1半導體區域爲低阻抗接觸之第2電極的步驟來製造。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐丁 " 578312 A7 B7 五、發明説明（4) 本發明之效果如下所示。 依據各申請專利範圍項之發明，第1導電型之第3半 導體區域朝第2導電型之第4半導體區域的橫向擴散會受 到限制。而第4半導體區域就是爲了增加反偏壓時之空乏 層的擴散而設置。因此，第4半導體區域之面積愈小愈好。 本發明中，可利用第3半導體區域之動作抑制第4半導體 區域之擴散，亦可縮小相對於半導體基板整體面積之第4 半導體區域的面積比，而實現半導體元件之小型化及低成 本化。又，半導體基板之面積維持原來大小時，可增大半 導體元件之電流容量。 又，爲第4半導體區域所夾之第3半導體區域的第1 導電型之濃度，和傳統上接觸JBS構造之勢壘面的半導體 區域相比，因可提高其濃度，故可抑制因提高反向耐壓而 產生和勢壘面接觸之半導體區域的濃度降低。利用此方式 ，和傳統之：iBS相比，改善順向特性之效果會大於第4半 導體區域之面積比的降低。 [實施方式] [第1實施形態] 其次，參照第1圖〜第3圖，說明本發明第1實施形 態之半導體元件一JBS構造之肖特基勢壘二極體。 此二極體如第2圖所示，係由矽半導體基板1、第1 電極之陽極2、第2電極之陰極3、及保護絶緣膜4所構 成。陽極2及絶緣膜4係設於半導體基板1之第1主面5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） -8- τ ‘----辦衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 578312 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（5) ，陰極3則設於第2主面6。 半導體基板1具有由磊晶成長之基板形成之N +型第1 半導體區域7、由磊晶成長層形成之N型第2半導體區域 8、由N +型擴散層形成之第3半導體區域9、由P +型擴散 層形成之第4半導體區域10、及由P +型擴散層形成之保 護環區域的第5半導體區域11。 N +型（第1導電型）之第1半導體區域7爲了支持形 成於此上之N型晶膜層而具有足夠的厚度，其雜質濃度 之設定上，會高於N型晶膜層，亦即第3半導體區域8 之雜質濃度。 N型之第2半導體區域8係在 N +型之第1半導體區 域7上面利用大家熟知之磊晶成長形成之半導體區域，其 雜質濃度之設定，如前面所述，會低於N +型之第1半導 體區域7。又，第2半導體區域8之雜質濃度在其厚度方 向之整體爲實質均一。 N +型之第3半導體區域9係在基板上之第1主面5¾ 網目狀露出之方式擴散N型雜質之區域，在第2圖及第3 圖之剖面形狀中，係以具有複數之島狀部分V的方式$ 形成。N +型之第3半導體區域9具有之雜質濃度高於N 型之第2半導體區域8，且具有之擴散深度未達到第丨$ 導體區域7。 又，第3半導體區域9之雜質濃度的設定上，係以$ 和陽極2進行肯特基接觸之方式。 P +型（第2導電型）之第4半導體區域10由第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -9- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

LF 裝· 、π 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578312 A7 __B7 五、發明説明（6 ) 可知’係X軸方向及Y軸方向各有7個、合計設有49個 。49個第4半導體區域1〇之配置，係塡埋N +型之第3半 導體區域9的網目之方式。亦即，在第2圖之剖面形狀中 ，N +型之第3半導體區域9的島狀部分9,間，配置著P + 型之第4半導體區域10。49個P+型之半導體區域1〇具有 相同之平面形狀，且爲相互同隔相同的規則式配置。P +型 之第4半導體區域10的側面，和N +型之第3半導體區域 9鄰接，底面則和N型之第2半導體區域8鄰接，其間則 會形成PN連接。 第4半導體區域10之圖案的決定上，係對二極體施 加特定反向電壓時可以空乏層塡埋第3半導體區域9。 從P +型之第4半導體區域10第1主面5的深度，較 N +型之第3半導體區域9的深度爲淺。又，第4半導體區 域1 0之深度應和第3半導體區域9之深度相同一或較淺 。又’第4半導體區域1〇之深度爲P型雜質濃度和第2 半導體區域8之N型雜質濃度相同之位置。 傳統之J BS構造的肯特基勢壘二極體亦設有相當於 P +型之第4半導體區域1〇之物。然而，傳統之JBS構造 的肖特基勢壘二極體因沒有相當於N +型之第3半導體區 域9之物，故相當於P +型之第4半導體區域10之物的表 面面積會相對較大。和其相比，依據本發明之第4半導體 區域1 0的面積較小。 P +型之第5半導體區域1 1係和 p +型之第4半導體區 域1 0同時形成之區域，兩者具有相同深度。此第5半導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578312 A7 B7 五、發明説明（7) 體區域11之形成上，由第1圖及第2圖可知’爲環繞N + 型之第3半導體區域9的環狀。最外緣側之第4半導體區 域10及第5半導體區域11之間隔’和複數第4半導體區 域1 0之相互間隔相同。P +型之第5半導體區域U的内側 和N +型之第3半導體區域9鄰接’外側及底面則和N型 之第2半導體區域8鄰接’其間則會形成PN連接。此第 5半導體區域11則有保護環之機能。 陽極2係由可形成肖特基勢壘之金屬材料所構成，配 置於基板1之第1主面5，和N +型之第3半導體區域9以 具有特定之勢壘高度（barrier height)實施肖特基接觸， 和P +型之第4及第5半導體區域10、11則爲低阻抗接觸 〇 陰極3係配置於基板1之第2主面6，和N +型之第1 半導體區域7爲低阻抗接觸。 製造第2圖所示之肯特基二極體時，首先，準備相當 於N +型半導體區域7之矽基板，利用磊晶成長法在其上 .形成由N型矽形成之第2半導體區域8。 其次，以大家熟知之方法實施N型雜質（例如磷） 之選擇性擴散，如第3圖所示，形成網目狀之N +型第3 半導體區域9。 其次，以大家熟知之方法形成遮罩，實施P型雜質（ 例如硼）之選擇性擴散，形成如第2圖所示之P +型第4 及第5半導體區域1〇、11。如前面説明所示，預先設置 之N +型第3半導體區域9具有限制P +型之第4半導體區 本^張尺度適用不國國家榡準（〇奶）六4規格（21〇'/297公襲) ~ 一 -11 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578312 A7 B7 五、發明説明（8 ) 域1 0朝橫向擴散之機能，故第4半導體區域1 0之面積會 較小。 其次，形成陽極2及陰極3，完成二極體。 本實施形態之二極體具有下述效果。 (1)因爲設有雜質濃度高於N型第2半導體區域8 之N +型第3半導體區域9，在擴散以形成P +型第4半導體 區域10爲目的之P型雜質時，P +型第4半導體區域10之 擴散會受到限制，而可縮小其面積。亦即，P+型第4半導 體區域10之P型雜質濃度、及N +型第3半導體區域9之 N型雜質濃度相等之位置爲PN連接面。因此，和傳統之 以側面和低雜質濃度之N型第2半導體區域8鄰接時相 比，本實施形態中，N型雜質之P型雜質抵銷作用，亦即 消除作用會較大，故P +型第4半導體區域10之面積會較 小。利用此方式，可實現二極體之小型化及低成本化。又 ，將基板1之主面面積設定爲和傳統相同時，相對於基板 1面積之P +型第4半導體區域10的面積比會小於傳統， 故可增大順向電流容量。 (2 ) N +型之第3半導體區域9在對二極體施加容許 範圍上限之反向電壓、或正常動作時之反向電壓時，因爲 具有以PN連接爲基礎之空乏層可塡埋的面積及雜質濃度 ，故對PN連接所造成之反向漏電電流的電流抑制效果、 以及耐壓提升效果皆和傳統相同。 (3 )因N +型第3半導體區域9之深度和P +型第4半 導體區域1 〇之深度相同或較深，故在此深度方向整體可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公羡) -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 578312 A7 B7 五、發明説明（9) 限制P +型第4半導體區域10之橫向擴散。 (4)爲第4半導體區域10所夾之第3半導體區域9 的第1導電型之濃度，和接觸傳統】構造之勢壘面的半 導體區域濃度相比，可進一步提高其濃度，而可抑制因反 向耐壓提高而產生接觸勢壘面之半導體區域的濃度降低。 利用此方式，和傳統之：ί B S相比，改善順向特性之效果會 大於第4半導體區域之面積比的降低。亦即，傳統構造中 ，即使爲了 ΡΝ連接而縮小Ρ +型半導體區域之面積’仍無 法使肯特基勢壘二極體之順向特性一亦即無法無順向阻抗 變成夠小。相對於此，本實施形態中，因設有雜質濃度較 高之Ν +型第3半導體區域9，故可改善肖特基勢壘二極體 之順向特性。 [第2實施形態] 其次，參照第4圖說明第2實施形態。但，第4圖及 後述之第5圖〜第8圖中和第1圖〜第3圖實質相同之部 分會附同一符號並省略其説明。 第2實施形態之肯特基二極體係將第1圖之第3及第 4半導體區域9、10變形成第4圖所示之第3及第4半導 體區域9a、10a，其餘則以和第1圖〜第3圖相同之方式 形成。第4圖中，N +型之第3半導體區域9a爲格狀，P + 型之第4半導體區域10a則由複數（5條）帶狀區域形成 。和第1圖之A-A線相同位置之第4圖的中央剖面形狀 因和第2圖相同，故第2實施形態亦可獲得和第1實施形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐1 ' -13- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578312 A7 B7 五、發明説明（10) 態相同之效果。 [第3實施形態） 第5圖所示之第3實施形態的肯特基二極體，N +型之 第3半導體區域9b爲複數（36個）島狀區域，而P +型之 第4半導體區域l〇b則爲網目狀區域，其餘則爲和第1圖 〜第3圖相同之構成。 和第1圖之A-A線相同之位置的第5圖之中央剖面 形狀，因和第2圖實質相同，故可獲得和第1實施形態相 同之效果。 [第4實施形態] 第6圖所示之第4實施形態的肖特基二極體，N +型第 3半導體區域9c爲複數（6條）帶狀區域，而P +型第4半 導體區域10c則爲複數（5條）帶狀區域，其餘則爲和第 1圖〜第3圖相同之構成。又，亦可將P+型之第4及第5 半導體區域l〇c、11合倂稱爲格狀區域。 和第1圖之A-A線相同之位置的第6圖之中央剖面 形狀，因和第2圖實質相同，故可獲得和第1實施形態相 同之效果。 [第5實施形態] 第7圖所示之第5實施形態的肖特基二極體，N +型第 3半導體區域9d爲梳子狀區域，而P +型第4半導體區域 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ~~ ~ -14- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

578312 A7 B7 五、發明説明（Μ ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 10d爲複數（5條）帶狀區域，其餘則爲和第1圖〜第3 圖相同之構成。和第1圖之A - A線相同之位置的第7圖 之中央剖面形狀，因和第2圖實質相同，·故可獲得和第1 實施形態相同之效果。 [第6之實施形態] 第8圖之第6實施形態的肖特基二極體，N +型第3半 導體區域9e爲複數（3個）環狀半導體區域，而P +型第4 半導體區域l〇e則爲1個島狀區域及2個環狀區域，其餘 則爲和第1圖〜第3圖相同之構成。 和第1圖之A-A線相同之位置的第8圖之中央剖面 形狀，因和第2圖實質相同，故可獲得和第1實施形態相 同之效果。 [變形例] 本發明並未限定爲上述實施形態，例如，亦可爲如下 之變形。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 (1 ) N +型第3半導體區域9或P +型第4半導體區域 10可進一步變更爲第4圖〜第8圖之圖案以外的圖案。 例如，在第7圖中，可以形成梳子狀之P +型第4半導體 區域10d，或者，在第8圖中，可在其中心追加配置N +型 之島狀第3半導體區域9e。 (2) P+型之第5半導體區域11可距離N +型之第3半 導體區域9稍爲遠一點。又，亦可省略第5半導體區域 本^張尺度適用中國國家標準（〇奶）八4規格（210\297公釐） "一 -15- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578312 A7 ___ B7 ----—------- 五、發明説明（12) 11 〇 [®式簡單說明] 第1圖係第1實施形態之肯特基二極體的半導體基板 平面圖。 第2圖係相當於第1實施形態之肯特基二極體的第1 圖之A-A線的剖面圖。 第3圖係形成第3半導體區域之半導體基板的剖面圖 〇 第4圖係第2實施形態之肯特基二極體的半導體基板 平面圖。 第5圖係第3實施形態之肖特基二極體的半導體基板 平面圖。 第6圖係第4實施形態之肯特基二極體的半導體基板 平面圖。 第7圖係第5實施形態之肯特基二極體的半導體基板 平面圖。 第8圖係第6實施形態之肯特基二極體的半導體基板 平面圖。 [元件符號之說明] 1〜1 e 半導體基板 2 陽極 3 陰極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

578312 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（13) 7 第1半導體區域 8 第2半導體區域 9〜9e 第3半導體區域 10〜10e 第4半導體區域 11 第5半導體區域 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 578312 1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1、 一種半導體元件，其特徵爲： 具有：具第1及第2主面的半導體基板、形成於前述 第1主面上之第1電極、以及形成於前述第2主面上之第 2電極， 前述半導體基板具有： 第1半導體區域，以從前述第2主面露出之方式配置 且具有第1導電型； ' 第2半導體區域，和前述第1半導體區域相鄰配置， 具有低於前述第1半導體區域之雜質濃度，且具有第1導 電型； 第3半導體區域.，以從前述半導體基板之前述第1主 面露出之方式配置，且剖面形狀上，係以特定間隔並置複 數之部分或區域，且具有高於前述第2半導體區域之雜質 濃度，且具有第1導電型，且從前述第1主面之深度設定 爲未達到前述第1半導體區域；以及 第4半導體區域，以從前述半導體基板之前述第丨$ 面露出之方式配置，且剖面形狀上，係配置於前述第.3半 導體區域之前述複數部分或區域之間，且從前述第1主@ 之深度設定爲和前述第3半導體區域之深度相同或較淺， 且具有和第1導電型相反之第2導電型；且 前述第1電極和前述第3半導體區域爲肯特基接觸， 且和前述第4半導體區域爲低阻抗接觸， 前述第2電極和前述第1半導體區域爲低阻抗接觸。 2、 一種半導體元件之製造方法，其特徵爲具有： (請先閱背背面之注意事項再填寫本頁)

   578312 A8 B8 C8 ___D8 六、申請專利範圍 2 利用磊晶成長形成在第1導電型之第1半導體區域上 具有第1導電型，且具有低於前述第1半導體區域之雜質 濃度的第2半導體區域之步驟； 利用將第1導電型之雜質擴散至前述第2半導體區域 ，形成從前述第2半導體區域之主面露出，且剖面形狀上 ，係以特定間隔並置複數之部分或區域，且具有高於前述 第2半導體區域之雜質濃度，且具有第1導電&，且深度 未達到前述第1半導體區域之第3半導體區域的步驟； 利用將和第1導電型相反之第2導電型的雜質擴散至 前述第2半導體區域，形成從前述第2半導體區域之主面 露出，且剖面形狀上.，係配置於前述第3半導體區域之前 述複數部分或區域之間，且具有和前述第3半導體區域相 同或較淺之擴散深度，且具有第2導電型之第4半導體區 域的步驟；以及 形成和前述第3半導體區域爲肯特基接觸，且和前述 第4半導體區域爲低阻抗接觸之第1電極、及形成和前述 第1半導體區域爲低阻抗接觸之第2電極的步驟。 J------^--裝-- (請先閲脅背面之注意事項再填寫本頁) 、v-口 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）