TWI527246B - 蕭特基二極體 - Google Patents

Description

蕭特基二極體

本發明是有關於一種電子元件，且特別是有關於一種半導體元件，適用於作為整流元件。

蕭特基二極體(Schottky diodes)在半導體工業上已使用多年，例如，用作為箝位器和整流器。蕭特基二極體為包括金屬-半導體介面之二極體，其中金屬-半導體介面係形成一蕭特基位障(Schottky barrier)。此金屬-半導體介面通常包括金屬層連接至摻雜半導體層。蕭特基位障形成於此金屬層和此摻雜半導體層之接面。

對於處於順向偏壓和處於逆向偏壓之金屬-半導體介面來說，其位障高度具有很大之差異。當施加足夠的順向偏壓時，此位障基本上被移除，藉此允許電子自由地從半導體材料流動到金屬。

由於蕭特基二極體之順向電壓降小於PN接面二極體之順向電壓降，蕭特基二極體在功率應用中提供了有效率的整流。再者，這些元件具有快速恢復時間，使它們特別適用於高頻整流。

眾所皆知，蕭特基二極體往往具有不佳的逆向漏電特徵。為了改善此漏電特徵，增加一相反極性載子之防護環至蕭特基二極體結構的手段係已存在。然而，製造此防護環通常需要額外的光罩步驟。而且防護環佔有空間，使得具有防護環的蕭特基二極體相較於不具有如此防護環的蕭特基二極體需要更多表面空間。

因此，需要尋求替代方法用以改善蕭特基二極體之逆向漏電特徵。

相較於先前技術之蕭特基二極體，在此揭露之蕭特基二極體和蕭特基二極體相關之方法包括多個實施例，其具有減低的逆向漏電。

根據本揭露之一些方面，一種蕭特基二極體可包括一歐姆接觸層、一金屬層以及一漂流通道，漂流通道延伸於歐姆接觸層和金屬層之間。夾止機制用以在蕭特基二極體被逆向偏壓時夾止漂流通道。

夾止機制可包括一第一井和一控制閘。夾止機制可更包括一第二井，其中第一和第二井可位於漂流通道之相對的兩側。第一和第二井係由第一導電型之半導體材料所形成，漂流通道係由第二導電型之半導體材料所形成。第一導電型可例如為P型導電性，第二導電型可例如為N型導電性。

控制閘可延伸於第一和第二井之間，並穿越漂流通道。控制閘可包括一介電層和一導體層。導體層可由多晶矽所形成，介電層可由二氧化矽所形成。

漂流通道可形成於一第一基板內，此第一基板具有一接觸面，其中第一基板係由第一導電型之半導體材料所形成。第一基板可形成於一第二基板之一井內，其中第二基板係由第二導電型之半導體材料所形成。

控制閘可電性連接至金屬層。

漂流通道可包括一相對地輕摻雜部分鄰接金屬層，以及一相對地重摻雜部分鄰接歐姆接觸層。

蕭特基二極體可包括第一和第二夾止機制，在一些實施例中，當蕭特基二極體逆向偏壓時，第一和第二夾止機制可對於漂流通道的各分支進行夾止。

根據本揭露之一些方面，一種蕭特基二極體可包括一蕭特基位障、一漂流通道、一半導體基板以及一控制閘。漂流通道延伸自蕭特基位障。半導體基板包括一第一基板部分、一第二基板部分，及一第三基板部分。控制閘延伸於第二和第三基板部分之間。第二和第三基板部分被配置來至少依據施加至控制閘之電壓之極性，選擇性地對漂流通道實行夾止條件。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第一實施例

第1圖繪示蕭特基二極體100之一實施例的平面視圖。第2A圖繪示蕭特基二極體100沿著截線2A-2A的剖面視圖，第2B圖繪示蕭特基二極體100沿著截線2B-2B的剖面視圖。蕭特基二極體100包括半導體基板102，通常是第一導電型之矽(第一導電型通常是P型導電性)，具有接觸面102a。漂流通道(drift channel)104是第二導電型(通常是N型導電性)，形成於基板102之第一部分102b內。基板102之第一部分102b可相對地輕摻雜，如圖由P-所表示。

如第2A圖所示，漂流通道104延伸於歐姆接觸層106和金屬層108之間。漂流通道104之第一部分104a鄰接歐姆接觸層106，漂流通道104之第一部分104a通常是相對地重摻雜，如圖由N+所表示。漂流通道104之第二部分104b自第一部分104a延伸至金屬層108。漂流通道104之第二部分104b可相對地輕摻雜，如圖由N-所表示。

當漂流通道104的半導體材料連接到金屬層108的金屬材料時，形成蕭特基位障107。當金屬和半導體材料連接時，漂流通道104之N型半導體材料中的電子立刻開始流動至金屬層108。此電子流動造成漂流通道104中靠近與金屬層108之接面處形成一空乏區(depletion region)。空乏區為漂流通道104變成空竭主要載子之區域。此電子流動亦造成金屬層108中靠近金屬層108與漂流通道104之間的接面處有大量的載子。金屬層108中大量的載子在靠近金屬層108與漂流通道104之間的接面處創造一負位牆(negative wall)。此「負位牆」形成面障，被稱為「蕭特基位障」107。

蕭特基二極體100也可包括陽極電極110及陰極電極112，陽極電極110連接至金屬層108，陰極電極112連接至歐姆接觸層106。因此施加一順向偏壓至蕭特基二極體100可包含對金屬層108施加較正的電位，並對歐姆接觸層106上施加相對較負的電位。由於施加的正電位吸引來自蕭特基位障107區域的電子，順向偏壓將減小蕭特基位障107的強度。蕭特基位障107之強度的減小允許電子從歐姆接觸層106，穿越漂流通道104，流動至金屬層108。

如第2B圖所示，基板102之第二和第三部分102c和102d，也稱作第一和第二井部分102c和102d，形成於漂流通道104之相對的兩側。第一和第二井部分102c和102d可相對地重摻雜，如圖由P+所表示。控制閘(control gate)114延伸於第一和第二井部分102c和102d之間。控制閘114之第一部分114a可重疊第一井部分102c，控制閘114之第二部分114b可重疊第二井部分102d。並且，第三部分114c延伸穿越漂流通道104之第二部分104b。

控制閘114可包括介電層116和導體層118。介電層116可由氧化物材料所形成，例如二氧化矽(SiO₂)。介電層116可鄰接第一井部分102c之至少一部分、第二井部分102d之至少一部分、以及漂流通道104的第二部分104b之至少一部分。導體層118可鄰接介電層116，並可由導電材料所形成，例如多晶矽。

如第2A圖所示，控制閘114電性連接至金屬層108。

第2C圖繪示當施加一負電位至控制閘114時，蕭特基二極體100沿著截線2B-2B的剖面視圖。當蕭特基二極體100逆向偏壓時，控制閘114獲得負電位，此負電位施加至陽極電極110和金屬層108。如第2C圖所示，在控制閘114之負電位會傾向將N型漂流通道104的電子壓迫往P型基板102，且吸引來自P型基板102的電洞，包括來自井部分102c和102d的主要載子。視在控制閘114的負偏壓之大小而定，電子和電洞之間會發生一定程度的再結合，而減少N型漂流通道104中可用於導電的自由電子之數量。偏壓越負，再結合的速率越高。於蕭特基二極體100之逆向偏壓條件下，隨著控制閘114之降低偏壓，在金屬層108和歐姆接觸層106之間造成的飽和或漏電流程度因此而減少。因此，控制閘114之負偏壓導致位於控制閘114下的漂流通道104之空乏，藉此導致漂流通道104之夾止(pinch-off)。因此，當蕭特基二極體100逆向偏壓時，藉由控制閘114以及用於夾止漂流通道104之井部分102c和102d來形成夾止機制120。

當蕭特基二極體100順向偏壓時，控制閘114獲得正電位，此正電位施加至陽極電極110和金屬層108。在控制閘114之正電位會吸引來自P型基板102之額外的電子(自由載子)，並透過加速粒子間造成的碰撞來建立新的載子。當控制閘114之電位持續增加，N型漂流通道104中可用於導電的自由電子之數量亦增加。當蕭特基二極體100順向偏壓時，此漂流通道104中自由電子之增加可增強電子流過蕭特基二極體100。因此，當蕭特基二極體100順向偏壓時，夾止機制120移除漂流通道104之夾止。

在一些實施例中，可使用各種隔離結構以用來隔離本揭露之蕭特基二極體與鄰接的電子元件。例如，在一些實施例中，使用習知的矽局部氧化(LOCOS)技術可製造出淺的隔離結構或使用淺溝渠隔離(STI)。另一個例子於第3圖和第4A、4B圖所示。

第二實施例

第3圖繪示蕭特基二極體200之第二實施例的平面圖。蕭特基二極體200之元件中，以相同的參照標號標示相似或相同於蕭特基二極體100之元件，於此將不再對其進行重複之描述。第4A圖繪示蕭特基二極體200沿著截線4A-4A的剖面視圖，第4B圖繪示蕭特基二極體200沿著截線4B-4B的剖面視圖。

蕭特基二極體200包括基板202，也可稱作井202。基板202由第一導電型(通常是P型導電性)之半導體材料所構成。基板202在半導體基板204之一井內形成，半導體基板204通常是第二導電型之矽(第二導電型通常是N型導電性)。半導體基板204具有接觸面102a。漂流通道104亦是第二導電型(通常是N型導電性)，形成於基板(或井)202之第一部分202b內。半導體基板204可相對地輕摻雜，如圖由N-所表示。基板(或井)202之第一部分202b可相對地輕摻雜，如圖由P-所表示。

蕭特基二極體200之操作，包括在蕭特基二極體200之逆向偏壓時夾止機制120夾止漂流通道104之能力，以及在蕭特基二極體200之順向偏壓時夾止機制120釋放漂流通道104的夾止之能力，皆與有關於蕭特基二極體100之描述一致。蕭特基二極體200和蕭特基二極體100之間主要的差異在於，蕭特基二極體200包括額外的N型材料(基板204)圍繞P型基板(或井)202的第一部分202b之周圍的至少一部分。

基板204之N型材料提供給蕭特基二極體200與鄰接的電子元件之改善的電性隔離。當基板204之N型材料與基板202之P型材料接觸時，在鄰近N型基板204材料和P型基板202材料間接面之區域，電子和電洞開始結合。此再結合過程導致鄰近此接面之區域缺乏載子。換句話說，在鄰近N型基板204材料和P型基板202材料間接面之區域造成一空乏區，起因於在這些區域中載子的空竭。此空乏區包括一正離子位障，使基板202之P型材料中的多數載子必須克服正離子位障以遷移至基板204之N型材料中。為此，基板202之P型材料中幾乎沒有多數載子會遷移至基板204成為漏電流。相同的原因，基板204之N型材料中幾乎沒有多數載子會遷移至基板202成為漏電流。因此，蕭特基二極體200之隔離結構可減少蕭特基二極體200間之往返漏電流。

第三實施例

第5圖繪示蕭特基二極體300之第三實施例的平面圖。蕭特基二極體300之元件中，以相同的參照標號標示相似或相同於蕭特基二極體100之元件，於此將不再對其進行重複之描述。

蕭特基二極體300之結構和操作與蕭特基二極體100之相關描述為實質上相似，其不同之處在於蕭特基二極體300更包括複數個夾止機制120a至120c。因此，雖然未標示於第5圖，蕭特基二極體300可包括陽極110和陰極112(與蕭特基二極體100之說明和描述相同)，蕭特基二極體300包括歐姆接觸層106位於漂流通道104之第一部分104a之上，及蕭特基位障107和金屬層108位於漂流通道104之第二部分104b之上。

第5圖所示的實施例中，漂流通道104之第二部分104b包括三個分支104b’、104b”和104b’’’延伸於陽極110和陰極112區域之間。各夾止機制120a至120c包括各自的控制閘114電性連接至蕭特基二極體300之陽極。夾止機制120a包括控制閘114，控制閘114包含控制閘之第一部分114a、控制閘之第二部分114b與控制閘之第三部分114c。控制閘之第一部分114a與第一井部分102c重疊，控制閘之第二部分114b與第二井部分102d重疊，控制閘之第三部分114c延伸穿越漂流通道104之第一分支104b’。夾止機制120b包括控制閘114，控制閘114包含控制閘之第一部分114a、控制閘之第二部分114b與控制閘之第三部分114c。控制閘之第一部分114a與第二井部分102d重疊，控制閘之第二部分114b與第三井部分102e重疊，控制閘之第三部分114c延伸穿越漂流通道104之第二分支104b”。夾止機制120c包括控制閘114，控制閘114包含控制閘之第一部分114a、控制閘之第二部分114b與控制閘之第三部分114c。控制閘之第一部分114a與第三井部分102e重疊，控制閘之第二部分114b與第四井部分102f重疊，控制閘之第三部分114c延伸穿越漂流通道104之第三分支104b’’’。

在蕭特基二極體300之逆向偏壓時夾止機制120a至120c夾止漂流通道104的各分支104b’、104b”和104b’’’之能力，以及在蕭特基二極體300之順向偏壓時夾止機制120a至120c釋放漂流通道104的各分支104b’、104b”和104b’’’之夾止的能力，皆與上述之夾止機制120一致。然而，此多分支結構適用於高電流之應用。

雖然以上是以三個夾止機制120a至120c以及各分支104b’、104b”和104b’’’來說明，可替代的實施例可包括任意數量之夾止機制120a至120c以及各分支104b’、104b”104b’’’。同樣地，一替代的實施例可包括多個夾止機制120a至120c以及各分支104b’、104b”和104b’’’連同一隔離結構，例如關於蕭特基二極體200之揭露。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300．．．蕭特基二極體

102、204．．．半導體基板

102a．．．接觸面

102b．．．基板102之第一部分

102c．．．第一井部分

102d．．．第二井部分

102e．．．第三井部分

102f．．．第四井部分

104．．．漂流通道

104a．．．漂流通道之第一部分

104b．．．漂流通道之第二部分

104b’．．．漂流通道第二部分之第一分支

104b”．．．漂流通道第二部分之第二分支

104b’’’．．．漂流通道第二部分之第三分支

106．．．歐姆接觸層

107．．．蕭特基位障

108．．．金屬層

110．．．陽極

112．．．陰極

114．．．控制閘

114a．．．控制閘之第一部分

114b．．．控制閘之第二部分

114c．．．控制閘之第三部分

116．．．介電層

118．．．導體層

120、120a、120b、120c．．．夾止機制

202．．．基板(或井)

202b．．．基板(或井)之第一部分

發明之特色、方面及實施例連同附加之圖式一起作描述，其中：

第1圖繪示依照本揭露第一實施例的蕭特基二極體之平面圖。

第2A圖繪示如第1圖所示之蕭特基二極體沿著截線2A-2A的剖面視圖。

第2B圖繪示如第1圖所示之蕭特基二極體沿著截線2B-2B的剖面視圖。

第2C圖繪示當蕭特基二極體逆向偏壓時如第1圖所示之蕭特基二極體沿著截線2B-2B的剖面視圖。

第3圖繪示依照本揭露第二實施例的蕭特基二極體之平面圖。

第4A圖繪示如第3圖所示之蕭特基二極體沿著截線4A-4A的剖面視圖。

第4B圖繪示如第3圖所示之蕭特基二極體沿著截線4B-4B的剖面視圖。

第5圖繪示依照本揭露第三實施例的蕭特基二極體之平面圖。

100．．．蕭特基二極體

102．．．半導體基板

102a．．．接觸面

102b．．．基板102之第一部分

104a．．．漂流通道之第一部分

104b．．．漂流通道之第二部分

106．．．歐姆接觸層

107．．．蕭特基位障

108．．．金屬層

110．．．陽極電極

112．．．陰極電極

114．．．控制閘

116．．．介電層

118．．．導體層

Claims (19)

1. 一種蕭特基二極體，包括：一歐姆接觸層；一金屬層；一漂流通道，延伸於該歐姆接觸層和該金屬層之間；以及一夾止機制，用以在該蕭特基二極體被逆向偏壓時夾止該漂流通道，其中該夾止機制包括：一控制閘，位於該漂流通道之上，其中該控制閘包括一介電層和一導體層；以及一第一井和一第二井，位於該漂流通道之相對之兩側，其中該控制閘延伸於該第一和該第二井之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其中該第一和該第二井係由一第一導電型之半導體材料所形成，其中該漂流通道係由一第二導電型之半導體材料所形成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之蕭特基二極體，其中該第一導電型為P型導電性，其中該第二導電型為N型導電性。
4. 如申請專利範圍第2項所述之蕭特基二極體，其中該控制閘更穿越該漂流通道。
5. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其中該導體層係由多晶矽所形成，該介電層係由二氧化矽所形成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其 中該漂流通道形成於一第一基板內，該基板具有一接觸面，其中該基板係由一第一導電型之半導體材料所形成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之蕭特基二極體，其中該第一基板形成於一第二基板之一井內，其中該第二基板係由一第二導電型之半導體材料所形成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其中該控制閘電性連接至該金屬層。
9. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其中該漂流通道包括一相對地輕摻雜部分鄰接該金屬層，以及一相對地重摻雜部分鄰接該歐姆接觸層。
10. 如申請專利範圍第1項所述之蕭特基二極體，其中該夾止機制為一第一夾止機制，其中該蕭特基二極體更包括一第二夾止機制，其中該第一和該第二夾止機制係用於當該蕭特基二極體被逆向偏壓時夾止該漂流通道之各分支。
11. 一種蕭特基二極體，包括：一蕭特基位障；一漂流通道，延伸自該蕭特基位障；一半導體基板，包括一第一井部分和一第二井部分，其中該第一井部分和該第二井部分係位於該漂流通道之相對之兩側；以及一第一控制閘，延伸於該第一井部分和該第二井部分之間，其中該控制閘包括一介電層和一導體層；一第二控制閘，延伸於該第二井部分與一基板部分之間； 其中該第一井部分和該第二井部分被配置用來至少依據施加至該第一控制閘之一電壓之一極性，選擇性地對該漂流通道之一第一分支實行一夾止條件；其中該第二井部份和該基板部分被配置用來至少依據施加至該第二控制閘之一電壓之一極性，選擇性地對該漂流通道之一第二分支實行一夾止條件。
12. 如申請專利範圍第11項所述之蕭特基二極體，其中該半導體基板係由一第一導電型之半導體材料所形成。
13. 如申請專利範圍第12項所述之蕭特基二極體，更包括一另一基板部分係相對性地輕摻雜，其中該第一井部分和該第二井部分係相對地重摻雜。
14. 如申請專利範圍第12項所述之蕭特基二極體，其中該漂流通道係由一第二導電型之半導體材料所形成。
15. 如申請專利範圍第14項所述之蕭特基二極體，其中該第一導電型為P型導電性，其中該第二導電型為N型導電性。
16. 如申請專利範圍第12項所述之蕭特基二極體，其中該半導體基板形成於一第二基板之一井內，其中該第二基板係由一第二導電型之半導體材料所形成。
17. 如申請專利範圍第11項所述之蕭特基二極體，其中該導體層係由多晶矽所形成，該介電層係由二氧化矽所形成。
18. 如申請專利範圍第11項所述之蕭特基二極體，其中該控制閘電性連接至該蕭特基位障。
19. 如申請專利範圍第11項所述之蕭特基二極體，其中更包括一歐姆接觸層，其中該漂流通道包括一相對地輕摻雜部分鄰接該蕭特基位障，及一相對地重摻雜部分鄰接該歐姆接觸層。