TWI565084B - Ditch-type Schottky diodes - Google Patents

Description

溝渠式蕭特基二極體

本發明是有關於一種二極體，特別是指一種結合有蕭特基(Schottky)接面的溝渠式蕭特基二極體。

參閱圖1，為一種已知的溝渠式蕭特基二極體，包含：一基板11、一位於該基板11上的磊晶層12、數個半導體層13、數個氧化層14、一第一電極15，以及一第二電極16。該基板11為n型的矽基板。該磊晶層12為n型半導體，並具有數個彼此間隔且自其頂面向下凹陷的溝槽121。該等半導體層13分別填入該等溝槽121，其材料為n型多晶矽。該等氧化層14分別位於該等溝槽121，並且分別位於每一半導體層13與該磊晶層12之間。該第一電極15位於該基板11的底面。該第二電極16位於該磊晶層12的頂面。其中，該磊晶層12、該等氧化層14與該等半導體層13三者之間形成類似於MOS(Metal-Oxide -Semiconductor)結構。而該第二電極16與該磊晶層12的接面之間則形成金屬-半導體接觸之蕭特基(Schottky)接面，進而形成蕭特基位障(Schottky Barrier)。具有上述溝渠設計及蕭特基接面的結構，一般又可稱為TMBS(Trench MOS Barrier Schottky)。

結合有蕭特基特性的元件，通常具有可高速切換、開關快速之優點。然而，實務上發現，上述結構的溝渠式蕭特基二極體，當製作為可承受較高之逆向偏壓的元件時(亦即具有高崩潰電壓(Breakdown Voltage))，其順向偏壓特性會變差，亦即，要產生相同電流時所須的順向偏壓必須加大。故該溝渠式蕭特基二極體有待改良。

因此，本發明之目的，即在提供一種可承受高逆向偏壓，且順向偏壓特性佳的溝渠式蕭特基二極體。

於是，本發明溝渠式蕭特基二極體，包含：一基板、一n型的磊晶層、數個p型的半導體層、數個氧化層、一連接該基板的第一電極，以及一第二電極。

該磊晶層位於該基板上，並包括一朝向該基板的第一面、一相反於該第一面的第二面，以及數個自該第二面朝該第一面凹設的溝槽。該等半導體層分別位於該等溝槽，每一半導體層的材料功函數大於或等於4.8電子伏特。該等氧化層分別位於該等溝槽並且分別位於每一半導體層與該磊晶層之間。該第二電極位於該磊晶層的第二面上且覆蓋該等半導體層。

本發明之功效：藉由該等溝槽填入具有高功函數之p型半導體層，從而使本發明具有較佳的順向偏壓特性，而且本發明可承受高逆向偏壓。因此，本發明在能承受高逆向偏壓的同時，還具有良好的順偏特性，確實達到 本發明之目的。

21‧‧‧基板

22‧‧‧磊晶層

221‧‧‧第一面

222‧‧‧第二面

223‧‧‧溝槽

23‧‧‧半導體層

24‧‧‧氧化層

25‧‧‧第一電極

26‧‧‧第二電極

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一種已知溝渠式蕭特基二極體的側視剖視示意圖；圖2是本發明溝渠式蕭特基二極體的一實施例的側視剖視示意圖；圖3是本發明與一比較例1的逆向電流-逆向偏壓特性曲線；圖4是本發明與該比較例1的順向電流-順向偏壓特性曲線；圖5是本發明與一比較例2的逆向電流-逆向偏壓特性曲線；及圖6是本發明與該比較例2的順向電流-順向偏壓特性曲線。

參閱圖2，本發明溝渠式蕭特基二極體之一實施例包含：一基板21、一磊晶層22、數個半導體層23、數個氧化層24、一第一電極25，以及一第二電極26。

該基板21為n型的矽基板，且該基板21的摻雜濃度大於該磊晶層22的摻雜濃度。

該磊晶層22位於該基板21上，並包括一朝向 該基板21的第一面221、一相反於該第一面221的第二面222，以及數個自該第二面222朝該第一面221凹設的溝槽223。該磊晶層22為n型的半導體材料，具體而言為n型多晶矽。

該等半導體層23分別位於該等溝槽223，並且未接觸該磊晶層22。該等半導體層23為p型多晶矽，每一半導體層23的材料功函數較佳地大於或等於4.8電子伏特(eV)。藉由調整該等半導體層23的載子濃度，可以改變其功函數，每一半導體層23的載子濃度較佳地為10^-19cm^-3~10^-21cm^-3。

該等氧化層24分別位於該等溝槽223，並且分別位於每一半導體層23與該磊晶層22之間，進而將該等半導體層23與該磊晶層22隔開。本實施例的氧化層24為二氧化矽。

該第一電極25大致呈薄層狀地覆蓋該基板21之一遠離該磊晶層22的表面上，在本實施例中相當於位於基板21的下表面。該第一電極25可以使用具有導電性的金屬材料。

該第二電極26位於該磊晶層22的第二面222上，且覆蓋該等半導體層23與該等氧化層24。該第二電極26使用可導電的金屬材料，並且依據本發明製作成不同工作電壓之元件時，可以選擇使用不同材料，例如可以使用鉬(Mo)、鎳釩合金(NiV)、鉑(Pt)等金屬。

本發明使用時，該磊晶層22、該等氧化層24 與該等半導體層23三者之間形成類似於MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)結構。其中該磊晶層22為n型多晶矽，相當於MOS中的半導體，該等氧化層24相當於MOS中的氧化物，該等半導體層23雖非金屬材料，但扮演著類似於MOS中的金屬的角色。此外，該第二電極26與該磊晶層22之間則形成金屬-半導體接面，進而形成具有蕭特基位障(Schottky Barrier)之蕭特基接觸。其中，本發明以p型的半導體層23填入該等溝槽223，相較於傳統使用n型多晶矽材料(功函數約為4.17左右)，本發明的該等半導體層23之功函數為4.8eV以上，屬於高功函數材料。由於材料功函數會影響MOS特性，故本發明使用高功函數的p型半導體層23，可以改變元件之能帶分布、電位分布、電容、電壓等特性，進而造成電流特性之改變，如此使本發明可製作為能應用於高逆向偏壓之元件(亦即高崩潰電壓之元件)，同時於順向偏壓下的電流特性又可大幅改善，亦即，只要較低的順向偏壓就能使元件產生足夠的電流。

本發明溝渠式蕭特基二極體的崩潰電壓(相當於額定工作電壓)可以大於或等於60伏特(V)，較佳地大於或等於100伏特。當本發明應用於耐受較高逆向偏壓的元件時，由於逆向偏壓愈高，該磊晶層22的阻抗值就必須愈高才能耐高電壓。而要提升磊晶層22的阻抗值時，表示其摻雜濃度必須愈低，此時填入該等溝槽223中的半導體層23材料對於MOS整體的效能控制與影響性就會愈高，加上 該等半導體層23為高功函數材料時，對整個電場、電位與電流等效應都有較大影響。此外，元件的崩潰電壓愈大時，該等氧化層24的厚度必須愈大以耐受高壓。

更進一步來說，本發明崩潰電壓大於或等於60伏特時，較佳地，該等半導體層23的功函數為4.8~5.27電子伏特，該等氧化層24的厚度為1500~3000埃(Å)，該磊晶層22的阻抗值為0.8~5.0歐姆(Ω)，該等溝槽223的深度為1.5~3.0微米(μm)，寬度為0.3~1.0μm，上述的厚度、阻抗值、深度、寬度等尺寸設計，皆是為了配合該崩潰電壓大於或等於60伏特而設計。而當本發明崩潰電壓大於或等於100伏特時，較佳地，該等半導體層23的功函數為4.9~5.27電子伏特，該等氧化層24的厚度為2000~3000埃，該磊晶層22的阻抗值為0.9~5.0Ω，該等溝槽223的深度為2~3.0μm，寬度為0.6~1.0μm，上述的厚度、阻抗值、深度、寬度等尺寸設計，皆是為了配合該崩潰電壓大於或等於100伏特而設計。

舉例來說，以崩潰電壓為60~100V而言，可作如下設計：該等氧化層24的厚度可以為1500~2000埃，該磊晶層22的阻抗值可以為0.8~1.2Ω，該等溝槽223的深度可以為1.5~2.5μm，寬度可以為0.3~0.5μm。以崩潰電壓為100~120V而言，可作如下設計：該等氧化層24的厚度可以為2000~3000埃，該磊晶層22的阻抗值可以為0.9~1.3Ω，該等溝槽223的深度可以為2~3μm，寬度可以為0.6~0.8μm。

本發明上述數值限定的原因在於：當半導體層23的功函數太小時，會有順向偏壓特性不佳之缺點，但由於材料載子濃度的限制，功函數最高為5.27電子伏特。當氧化層24厚度太薄時無法耐受高逆向偏壓，而氧化層24至一定厚度即可達到足夠耐受逆向偏壓之效果，因此氧化層24亦不須過厚。而該磊晶層22的阻抗值限定亦是為了具有足夠的耐受逆向偏壓效果。該等溝槽223深度太淺時，有逆向偏壓不足，逆向漏電流過高的缺點，太深時有順向偏壓增加之缺點；該等溝槽223寬度太小時，有順向偏壓增加之缺點，太大時有逆向漏電流過大的缺點。

參閱圖3、4，圖3為本發明與一比較例1的逆向電流-逆向偏壓特性曲線。該比較例1與本發明的結構大致相同，兩者的崩潰電壓皆為100V，不同處在於該比較例1為傳統蕭特基二極體，填入其溝槽的材料為功函數約為4.17eV的n型半導體，本發明則使用功函數約為4.8eV的p型半導體。圖3顯示本發明與該比較例1的逆向偏壓特性接近。圖4為本發明與該比較例1的順向電流-順向偏壓特性曲線，顯示本發明在較低的順向偏壓下，即能產生與該比較例1相同大小之電流，故本發明相較於比較例1具有較佳的順向偏壓特性。

參閱圖5、6，圖5為本發明與一比較例2的逆向電流-逆向偏壓特性曲線。該比較例2與本發明的結構大致相同，而且兩者的崩潰電壓皆為200V左右。不同處在於，該比較例2為傳統蕭特基二極體，填入其溝槽的材料為n 型半導體，本發明則使用功函數約為5.02eV的p型半導體。圖5顯示本發明與該比較例2的逆向偏壓特性接近。圖6為本發明與該比較例2的順向電流-順向偏壓特性曲線，顯示本發明在較低的順向偏壓下，即能產生與該比較例2相同大小之電流，故本發明具有較佳的順向偏壓特性。

綜上所述，藉由於該等溝槽223填入具有高功函數之p型半導體層23，從而使本發明具有較佳的順向偏壓特性，而且本發明可承受高逆向偏壓，可應用於60伏特、100伏特、200伏特、250伏特或是更高工作電壓之元件。因此，本發明在能承受高逆向偏壓的同時，還具有良好的低順向偏壓特性，同時還保有蕭特基元件之切換快速的優點。而且由於半導體層23之p型多晶矽材料可以利用化學氣相沉積(CVD)設備形成，能與現有製程設備相容。此外，由於以往要改變溝渠式蕭特基二極體的元件特性，大部分都是於溝槽之寬度、深度、間距等尺寸上作變化，而本發明藉由改良填入溝槽中的材料來達到改善順向偏壓特性之目的，實為前所未見的創新設計。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

21‧‧‧基板

22‧‧‧磊晶層

221‧‧‧第一面

222‧‧‧第二面

223‧‧‧溝槽

23‧‧‧半導體層

24‧‧‧氧化層

25‧‧‧第一電極

26‧‧‧第二電極

Claims (10)

1. 一種溝渠式蕭特基二極體，包含：一基板；一n型的磊晶層，位於該基板上，並包括一朝向該基板的第一面、一相反於該第一面的第二面，以及數個自該第二面朝該第一面凹設的溝槽；數個p型的半導體層，分別位於該等溝槽，每一半導體層的材料功函數大於或等於4.8電子伏特；數個氧化層，分別位於該等溝槽並且分別位於每一半導體層與該磊晶層之間；一第一電極，連接該基板；及一第二電極，位於該磊晶層的第二面上且覆蓋該等半導體層。
2. 如請求項1所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該等半導體層為p型多晶矽，該磊晶層為n型多晶矽，該基板為n型的矽基板，且該基板的摻雜濃度大於該磊晶層的摻雜濃度。
3. 如請求項1所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該等半導體層的材料功函數為4.8~5.27電子伏特。
4. 如請求項3所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該等氧化層的厚度為1500~3000埃。
5. 如請求項4所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該磊晶層的阻抗值為0.8~5.0歐姆。
6. 如請求項5所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該等溝 槽的深度為1.5~3.0微米，寬度為0.3~1.0微米。
7. 如請求項1至6中任一項所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該溝渠式蕭特基二極體的崩潰電壓大於或等於60伏特。
8. 如請求項7所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該溝渠式蕭特基二極體的崩潰電壓大於或等於100伏特。
9. 如請求項1所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，該溝渠式蕭特基二極體的崩潰電壓大於或等於100伏特，該等半導體層的材料功函數為4.9~5.27電子伏特。
10. 如請求項1所述的溝渠式蕭特基二極體，其中，每一半導體層的載子濃度為10^-19cm^-3~10^-21cm^-3。