TWI743818B - 具有多保護環結構之蕭特基二極體 - Google Patents
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Abstract
一種具有多保護環結構之蕭特基二極體，包含一半導體基層、一背金屬層、一磊晶層、一介電層、一第一金屬層、一鈍化層與一第二金屬層。其中，磊晶層堆疊於半導體基層，包含一終端溝槽結構、一第一離子佈植保護環、一第二離子佈植保護環及一第三離子佈植保護環。介電層係在一終止區內堆疊於磊晶層。第一金屬層堆疊於終端溝槽結構與介電層，並開設有一溝槽。鈍化層堆疊於第一金屬層與介電層。第二金屬層堆疊於第一金屬層與鈍化層。藉由第一離子佈植保護環、第二離子佈植保護環與第三離子佈植保護環之寬度依序遞減，有效的使電壓步階地分布。
Description
本發明係關於一種蕭特基二極體，尤其是指一種具有多保護環結構之蕭特基二極體。
一般來說，理想的整流器應具有低順向壓降、高逆向崩潰電壓與零漏電流等特性，其中由於利用金屬-半導體接面作為蕭特基勢壘的蕭特基二極體具有低順向壓降與高速切換的特性，因此廣泛應用於功率整流元件中，但蕭特基二極體仍存在有逆向偏壓較低與逆向漏電流偏大的缺點，進而使蕭特基二極體的應用受到了限制。
承上所述，蕭特基二極體主要可以分為傳統的平面蕭特基二極體(Planar Schottky)與溝槽式蕭特基二極體(Trench Schottky)。平面蕭特基二極體主要是將半導體與金屬一層一層的堆疊而形成堆疊結構，往往需要在順向壓降與漏電流等性能之間作取捨，因此在不增加漏電流的情況下提升崩潰電壓是主要研究方向。
溝槽式蕭特基二極體主要是在矽晶層蝕刻溝槽後再充填多晶矽，以藉由溝槽內的多晶矽來有效的耗盡漂移區內的漂移電子而使電場均勻分布，比傳統的平面蕭特基二極體具有更低的順向電壓降(Low VF)和逆向漏電流(Low IR)。
請參閱第一圖，第一圖係顯示現有之溝槽式蕭特基二極體之剖面示意圖。如圖所示，一種溝槽式蕭特基二極體PA100包含一半導體基層PA1、一背金屬層PA2、一磊晶層PA3、一介電層PA4、一第一金屬層PA5、一鈍化層PA6以及一第二金屬層PA7。
背金屬層PA2是形成於半導體基層PA1之背面。磊晶層PA3是形成於半導體基層PA1之正面，並具有相鄰之一晶胞區PA3a與一終止區PA3b，且磊晶層PA3還包含複數個晶胞結構PA31（圖中僅顯示二個）、一終端溝槽結構PA32以及一保護環結構PA33。複數個晶胞結構PA31是彼此相間隔地位於於晶胞區PA3a內，而終端溝槽結構PA32是位於晶胞區PA3a與終止區PA3b之交界處，並與複數個晶胞結構PA31其中鄰近於終止區PA3b者間隔設置。保護環結構PA33是鄰接於終端溝槽結構PA32。
介電層PA4是在終止區PA3b內堆疊於終端溝槽結構PA32與保護環結構PA33。第一金屬層PA5是在晶胞區PA3a內堆疊於磊晶層PA3，並延伸至終止區PA3b內堆疊於介電層PA4。鈍化層PA6是堆疊於第一金屬層PA5，並自晶胞區PA3a延伸至終止區PA3b之介電層PA4。第二金屬層PA7是堆疊於第一金屬層PA5與鈍化層PA6上，並自晶胞區PA3a延伸至終止區PA3b。
如上所述，現有的溝槽式蕭特基二極體PA100主要是將第一金屬層PA5與第二金屬層PA7延伸至終止區來提高逆向偏壓，並在磊晶層PA3設有保護環結構PA33來分散電位，但由於保護環結構PA33所能達到的電位緩衝能力有限，導致溝槽式蕭特基二極體PA100的電荷還是容易集中在邊緣的終止區而容易發生過早崩潰的現象。
有鑒於在先前技術中，先前技術之溝槽式蕭特基二極體為了提高逆向偏壓而將第一金屬層與第二金屬層延伸至終止區，但也因此使磊晶層的表面容易累積表面電荷，而雖然現有的溝槽式蕭特基二極體設有保護環結構來防止電位的劇烈變化，但其效果仍有限；緣此，本發明的主要目的在於提供一種蕭特基二極體，可以透過結構上的變化來降低表面電荷的累積，並避免過早崩潰。
本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種具有多保護環結構之蕭特基二極體，包含一半導體基層、一背金屬層、一磊晶層、一介電層、一第一金屬層、一鈍化層以及一第二金屬層。
背金屬層係設置於半導體基層之一側。磊晶層係形成於半導體基層相對於背金屬層之另一側，並具有一晶胞區與一終止區，且磊晶層包含一終端溝槽(termination trench)結構、一第一離子佈植保護環、一第二離子佈植保護環以及一第三離子佈植保護環。
終端溝槽結構係位於晶胞區與終止區之交界處；第一離子佈植保護環係在終止區內鄰接於終端溝槽結構，並具有一第一寬度。第二離子佈植保護環係在終止區內與第一離子佈植保護環間隔設置，並具有一小於第一寬度之第二寬度。第三離子佈植保護環係在終止區內與第二離子佈植保護環間隔設置，並具有一小於第二寬度之第三寬度。
介電層係在終止區內堆疊於終端溝槽結構、第一離子佈植保護環、第二離子佈植保護環以及第三離子佈植保護環。
第一金屬層包含一本體部以及一分隔部。本體部係在晶胞區內堆疊於終端溝槽結構，並自晶胞區延伸至終止區而堆疊位於第一離子佈植保護環上方之介電層。分隔部係在終止區內堆疊於介電層，並朝磊晶層延伸穿過介電層而電性接觸第三離子佈植保護環，且分隔部係與本體部形成一露出介電層之溝槽。
鈍化層係在晶胞區內部分堆疊於本體部，並延伸至終止區內堆疊於本體部、溝槽、分隔部與介電層。第二金屬層係在晶胞區內堆疊於第一金屬層與鈍化層，並自晶胞區延伸至終止區而堆疊位於第一離子佈植保護環上方之鈍化層。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第二離子佈植保護環係以一第一間距與第一離子佈植保護環間隔設置，第三離子佈植保護環係以一第二間距與第二離子佈植保護環間隔設置，且第二間距大於第一間距。較佳者，第一間距與第二間距之比例為1:1.2。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，第一寬度、第二寬度與第三寬度之比例為4:2:1。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，介電層包含一正矽酸乙酯（tetraethyl orthosilicate, TEOS）薄膜與一硼磷矽玻璃（BPSG）薄膜，正矽酸乙酯薄膜係在終止區內堆疊於磊晶層，硼磷矽玻璃薄膜係在終止區內堆疊於正矽酸乙酯薄膜。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，磊晶層更包含複數個晶胞溝槽(cell trench)結構，晶胞溝槽結構係位於晶胞區內。
綜上所述，本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體透過將第一金屬層分成相間隔之本體部與分隔部，可以有效的利用分隔部來防止表面電荷的累積，且由於本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體更在終止區設有寬度由晶胞區朝終止區逐漸遞減之第一離子佈植保護環、第二離子佈植保護環與第三離子佈植保護環，因此可以有效的使整個具有多保護環結構之蕭特基二極體的電位曲線產生階段性的變化，進而有效的防止過早崩潰的現象產生。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
請參閱第二圖，第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之剖面示意圖。如圖所示，一種具有多保護環結構之蕭特基二極體100包含一半導體基層1、一背金屬層2、一磊晶層3、一介電層4、一第一金屬層5、一鈍化層6以及一第二金屬層7。
半導體基層1具有相對設置之一背面11與一正面12，且半導體基層1為一N型重摻雜矽晶層。背金屬層2係形成於半導體基層1之背面11，且背金屬層2之組成包含鈦、鎳、銀或其組合。磊晶層3係形成於半導體基層1之正面12，並具有相鄰之一晶胞區3a與一終止區3b，且磊晶層3為一N型輕摻雜矽晶層，其中磊晶層3之輕摻雜是相對於半導體基層1之重摻雜而言；此外，磊晶層3包含複數個晶胞溝槽(cell trench) 結構31（圖中僅標示一個）與一終端溝槽(termination trench)結構32、一第一離子佈植保護環33、一第二離子佈植保護環34以及一第三離子佈植保護環35。
複數個晶胞溝槽結構31是彼此相間隔地位於晶胞區3a內。終端溝槽結構32是位於晶胞區3a與終止區3b之交界處，即終端溝槽結構32跨越了晶胞區3a與終止區3b。在本實施例中，終端溝槽結構32還包含一閘極氧化層（gate oxide）321與一多晶矽層（polysilicon）322；其中，閘極氧化層321與多晶矽層322在實務上的形成方式主要是先在磊晶層3之表面開設凹槽，然後對凹槽之內壁進行氧化而形成閘極氧化層321，之後再將多晶矽填入凹槽中，進而形成多晶矽層322。此外，上述之複數個晶胞溝槽結構31之結構與終端溝槽結構32之結構相似，晶胞溝槽結構31同樣包含有閘極氧化層（圖未標示）與多晶矽層（圖未標示）。
第一離子佈植保護環33是在終止區3b內鄰接於終端溝槽結構32之閘極氧化層321，且第一離子佈植保護環33具有一第一寬度w1。第二離子佈植保護環34是在終止區3b內以一第一間距d1與第一離子佈植保護環33間隔設置，並具有一小於第一寬度w1之第二寬度w2。第三離子佈植保護環35是在終止區3b內以一大於第一間距d1之第二間距d2與第二離子佈植保護環34間隔設置，並具有一小於第二寬度w2之第三寬度w3。其中，第一寬度w1、第二寬度w2與第三寬度w3之比例為4:2:1，第一間距d1與第二間距d2之比例為1:1.2，而在本實施例中，第一寬度w1為8μm，第二寬度w2為4μm，第三寬度w3為2μm，且第一間距d1為10μm，第二間距d2為12μm。
此外，在實務運用上，第一離子佈植保護環33、第二離子佈植保護環34與第三離子佈植保護環35是透過在終止區3b內之磊晶層3的表面佈植硼離子所形成，且本實施例所述之第一寬度w1、第二寬度w2與第三寬度w3是指佈植硼離子時的寬度，實務上佈植後可能會因為擴散而增加寬度範圍。
介電層4包含一正矽酸乙酯（tetraethyl orthosilicate, TEOS）薄膜41與一硼磷矽玻璃（BPSG）薄膜42。正矽酸乙酯薄膜41是在終止區3b內堆疊於磊晶層3之終端溝槽結構32、第一離子佈植保護環33、第二離子佈植保護環34以及第三離子佈植保護環35，而硼磷矽玻璃薄膜42是在終止區3b內堆疊於正矽酸乙酯薄膜41。
第一金屬層5包含一本體部51以及一分隔部52。本體部51是在晶胞區3a內堆疊於終端溝槽結構32，並自晶胞區3a延伸至終止區3b而堆疊位於第一離子佈植保護環33上方之介電層4。其中，本體部51包含了一鎳鉑合金層511、一鈦金屬層512、一鈦鎢合金層513以及一鋁金屬層514，鎳鉑合金層511是形成於晶胞區3a，並堆疊於磊晶層3而接觸到晶胞溝槽結構31之多晶矽層（圖未標示）。鈦金屬層512是在晶胞區3a內堆疊於鎳鉑合金層511，並自晶胞區3a延伸至終止區3b而堆疊位於第一離子佈植保護環33上方之介電層4。鈦鎢合金層513是在晶胞區3a內堆疊於鈦金屬層512，並自晶胞區3a延伸至終止區3b而堆疊於鈦金屬層512。鋁金屬層514是在晶胞區3a內堆疊於鈦鎢合金層513，並自晶胞區3a延伸至終止區3b而堆疊於鈦鎢合金層513。
分隔部52是在終止區3b內堆疊於介電層4，並朝磊晶層3延伸穿過介電層4而電性接觸第三離子佈植保護環35，且分隔部52是與本體部51之間更形成一露出介電層4之溝槽（圖未標示）。其中，分隔部52還包含了一鈦金屬層521、一鈦鎢合金層522以及一鋁金屬層523。鈦金屬層521是堆疊於介電層4之硼磷矽玻璃薄膜42，鈦鎢合金層522是堆疊於鈦金屬層521，而鋁金屬層523則堆疊於鈦鎢合金層522，且鋁金屬層523更朝磊晶層3延伸穿過鈦金屬層521、鈦鎢合金層522以及介電層4之硼磷矽玻璃薄膜42與正矽酸乙酯薄膜41而電性接觸第三離子佈植保護環35，且在實務上，正矽酸乙酯薄膜41之開槽d4例如為2μm。
在實際製造中，鈦金屬層512與鈦金屬層521是透過同一濺鍍製程所形成，而鈦鎢合金層513與鈦鎢合金層522也是透過同一濺鍍製程所形成，然後鋁金屬層514與鋁金屬層523也是透過同一濺鍍製程所形成，並使鋁金屬層523、鈦鎢合金層522與鈦金屬層521穿過介電層4，而鈦金屬層521更電性接觸第三離子佈植保護環35，藉以使鋁金屬層523可透過鈦鎢合金層522與鈦金屬層521電性連結於第三離子佈植保護環35。其中，在形成鈦金屬層521、鈦鎢合金層522與鋁金屬層523之前，是先將第三離子佈植保護環35上方之介電層4透過蝕刻或雷射等方式進行開槽，藉以使鈦金屬層521、鈦鎢合金層522與鋁金屬層523穿過介電層4而電性接觸第三離子佈植保護環35。
此外，在鈦金屬層512與521、鈦鎢合金層513與522以及鋁金屬層514與523形成後，更透過蝕刻製程來形成凹槽，藉以分隔出本體部51與分隔部52。
鈍化層6是在晶胞區3a內部分堆疊於本體部51，並延伸至終止區3b內堆疊於本體部51、分隔部52與本體部51間之溝槽、分隔部52與介電層4。在本實施例中，鈍化層6為一氮化矽層。
第二金屬層7是在晶胞區3a內堆疊於第一金屬層5與鈍化層6，並自晶胞區3a延伸至終止區3b而堆疊位於第一離子佈植保護環33上方之鈍化層6。其中，第二金屬層7包含一鈦金屬層71、一鎳金屬層72以及一銀金屬層73，鈦金屬層71是堆疊於第一金屬層5之鋁金屬層514與鈍化層6，鎳金屬層72是堆疊於鈦金屬層71，而銀金屬層73是堆疊於鎳金屬層72。
請繼續參閱第三圖與第四圖，第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之電位分布曲線示意圖；第四圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之逆向偏壓曲線示意圖。
如第一圖至第三圖所示，第三圖之曲線C1是對應於第一圖之現有之溝槽式蕭特基二極體PA100，而第三圖之曲線C2則是對應於第二圖之本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體100；其中，溝槽式蕭特基二極體PA100之保護環結構PA33係使曲線C1之電位維持在35V左右，因此在過了保護環結構PA33後，電位會很快的變化至250V；然而，本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體100透過第一離子佈植保護環33可先將電位維持在35V左右，然後再透過第二離子佈植保護環34將電位維持在100V左右，最後再透過第三離子佈植保護環35將電位維持在200V左右，藉此本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體100確實可以透過第一離子佈植保護環33、第二離子佈植保護環34與第三離子佈植保護環35來使電位產生階段性的變化，進而有效的分散電位而避免崩潰電壓過早發生。
此外，由於本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體100更因為在第三離子佈植保護環35之上方設有分隔部52來電性接觸第三離子佈植保護環35，因此可以有效的防止表面電荷的累積。
另一方面，如第四圖所示，第四圖之曲線C3是對應於第一圖之現有之溝槽式蕭特基二極體PA100之逆向電壓變化，而第四圖之曲線C4是對應於本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體100之逆向電壓變化，由此可知，本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體100可以維持與現有之溝槽式蕭特基二極體PA100相似的逆向偏壓表現。
綜上所述，相較於先前技術之溝槽式蕭特基二極體為了提高逆向偏壓而將第一金屬層與第二金屬層延伸至終止區，進而導致磊晶層的表面容易累積表面電荷，本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體透過將第一金屬層分成相間隔之本體部與分隔部，可以有效的利用分隔部來防止表面電荷的累積，且由於本發明之具有多保護環結構之蕭特基二極體更在終止區設有寬度由晶胞區朝終止區逐漸遞減之第一離子佈植保護環、第二離子佈植保護環與第三離子佈植保護環，因此可以有效的使整個具有多保護環結構之蕭特基二極體的電位曲線產生階段性的變化，進而有效的防止過早崩潰的現象產生。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，是希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相逆地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
PA100:溝槽式蕭特基二極體
PA1:半導體基層
PA2:背金屬層
PA3:磊晶層
PA3a:晶胞區
PA3b:終止區
PA31:晶胞結構
PA32:終端溝槽結構
PA33:保護環結構
PA4:介電層
PA5:第一金屬層
PA6:鈍化層
PA7:第二金屬層
100:具有多保護環結構之蕭特基二極體
1:半導體基層
11:背面
12:正面
2:背金屬層
3:磊晶層
3a:晶胞區
3b:終止區
31:晶胞溝槽結構
32:終端溝槽結構
321:閘極氧化層
322:多晶矽層
33:第一離子佈植保護環
34:第二離子佈植保護環
35:第三離子佈植保護環
4:介電層
41:正矽酸乙酯薄膜
42:硼磷矽玻璃薄膜
5:第一金屬層
51:本體部
511:鎳鉑合金層
512:鈦金屬層
513:鈦鎢合金層
514:鋁金屬層
52:分隔部
521:鈦金屬層
522:鈦鎢合金層
523:鋁金屬層
6:鈍化層
7:第二金屬層
71:鈦金屬層
72:鎳金屬層
73:銀金屬層
w1:第一寬度
w2:第二寬度
w3:第三寬度
d1:第一間距
d2:第二間距
d4:開槽
C1,C2,C3,C4:曲線
第一圖係顯示現有之溝槽式蕭特基二極體之剖面示意圖；
第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之剖面示意圖；
第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之電位分布曲線示意圖；以及
第四圖係顯示本發明較佳實施例所提供之具有多保護環結構之蕭特基二極體之逆向偏壓曲線示意圖。
100:具有多保護環結構之蕭特基二極體
1:半導體基層
11:背面
12:正面
2:背金屬層
3:磊晶層
3a:晶胞區
3b:終止區
31:晶胞溝槽結構
32:終端溝槽結構
321:閘極氧化層
322:多晶矽層
33:第一離子佈植保護環
34:第二離子佈植保護環
35:第三離子佈植保護環
4:介電層
41:正矽酸乙酯薄膜
42:硼磷矽玻璃薄膜
5:第一金屬層
51:本體部
511:鎳鉑合金層
512:鈦金屬層
513:鈦鎢合金層
514:鋁金屬層
52:分隔部
521:鈦金屬層
522:鈦鎢合金層
523:鋁金屬層
6:鈍化層
7:第二金屬層
71:鈦金屬層
72:鎳金屬層
73:銀金屬層
w1:第一寬度
w2:第二寬度
w3:第三寬度
d1:第一間距
d2:第二間距
d4:開槽
Claims (6)
- 一種具有多保護環結構之蕭特基二極體，包含： 一半導體基層； 一背金屬層，係設置於該半導體基層之一側； 一磊晶層，係形成於該半導體基層相對於該背金屬層之另一側，並具有一晶胞區與一終止區，且該磊晶層包含： 一終端溝槽(termination trench)結構，係位於該晶胞區與該終止區之交界處； 一第一離子佈植保護環，係在該終止區內鄰接於該終端溝槽結構，並具有一第一寬度； 一第二離子佈植保護環，係在該終止區內與該第一離子佈植保護環間隔設置，並具有一小於該第一寬度之第二寬度；以及 一第三離子佈植保護環，係在該終止區內與該第二離子佈植保護環間隔設置，並具有一小於該第二寬度之第三寬度； 一介電層，係在該終止區內堆疊於該終端溝槽結構、該第一離子佈植保護環、該第二離子佈植保護環以及該第三離子佈植保護環； 一第一金屬層，包含： 一本體部，係在該晶胞區內堆疊於該終端溝槽結構，並自該晶胞區延伸至該終止區而堆疊位於該第一離子佈植保護環上方之該介電層；以及 一分隔部，係在該終止區內堆疊於該介電層，並朝該磊晶層延伸穿過該介電層而電性接觸該第三離子佈植保護環，且該分隔部係與該本體部形成一露出該介電層之溝槽； 一鈍化層，係在該晶胞區內部分堆疊於該本體部，並延伸至該終止區內堆疊於該本體部、該溝槽、該分隔部與該介電層；以及 一第二金屬層，係在該晶胞區內堆疊於該第一金屬層與該鈍化層，並自該晶胞區延伸至該終止區而堆疊位於該第一離子佈植保護環上方之該鈍化層。
- 如請求項1所述之具有多保護環結構之蕭特基二極體，其中，該第二離子佈植保護環係以一第一間距與該第一離子佈植保護環間隔設置，該第三離子佈植保護環係以一第二間距與該第二離子佈植保護環間隔設置，且該第二間距大於該第一間距。
- 如請求項2所述之具有多保護環結構之蕭特基二極體，其中，該第一間距與該第二間距之比例為1:1.2。
- 如請求項1所述之具有多保護環結構之蕭特基二極體，其中，該第一寬度、該第二寬度與該第三寬度之比例為4:2:1。
- 如請求項1所述之具有多保護環結構之蕭特基二極體，其中，該介電層包含一正矽酸乙酯（tetraethyl orthosilicate, TEOS）薄膜與一硼磷矽玻璃（BPSG）薄膜，該正矽酸乙酯薄膜係在該終止區內堆疊於該磊晶層，該硼磷矽玻璃薄膜係在該終止區內堆疊於該正矽酸乙酯薄膜。
- 如請求項1所述之具有多保護環結構之蕭特基二極體，其中，該磊晶層更包含複數個晶胞溝槽(cell trench) 結構，該些晶胞溝槽結構係位於該晶胞區內。
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