TWI388012B - 尚特基二極體及製造方法 - Google Patents

Description

尚特基二極體及製造方法

本發明大體上關於一種半導體裝置，較特別的是一種尚特基二極體。

尚特基二極體極適用於高頻率應用，因為其具有短逆向復原時間及低順向電壓，即低損失。惟，其具有小於200伏特之崩潰電壓，因此其限用於低電壓應用。尚待基二極體典型上由一高功因金屬組成，其接觸於一生長在N型傳導性基板上之N型傳導性磊晶層。用於增大崩潰電壓之技術會導致順向電壓增大及尚特基二極體之切換速度減小。

據此，有利的是具有一可承受大的逆向偏壓同時能維持一低順向電壓降與高速切換特徵之尚特基二極體。另一效益在於製造該尚特基二極體以符合成本與時間效益且相容於尚特基二極體製程的方法。

本發明滿足上述要求係藉由提供一種具有一大於約250伏特崩潰電壓之尚特基二極體及製造該尚特基二極體之方法。根據一實施例，本發明包含一種製造一具有一至少約250伏特崩潰電壓之尚特基二極體之方法。提供一具有第一及第二主表面之一第一傳導性類型半導體材料，其中該半導體材料包含一磊晶層，該磊晶層具有一至少約15微米厚度及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之雜質濃度，其設於一半導體基板上。一第二傳導性類型防護環形成於該半導體材料內，其中該防護環係從該第一主表面延伸入該半導體材料內約3微米至約15微米。一第一介電性材料形成於該防護環上方，及一電傳導性材料形成於該主表面之一部分與該防護環上方。

根據另一實施例，本發明包括一種製造一具有一至少約250伏特逆向崩潰電壓之尚特基二極體之方法，其包括提供一具有第一及第二主表面之一第一傳導性類型半導體基板。一磊晶層從該第一主表面生長，其中該磊晶層具有一表面、一至少約15微米厚度、及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之該第一傳導性類型雜質濃度。一第一層介電性材料形成於該磊晶層上，及一開孔形成於該第一層介電性材料內，其中該開孔曝露出該磊晶層之一第一部分。一第二傳導性類型防護環形成於該磊晶層內。該防護環係從該磊晶層表面延伸入該磊晶層內約3微米至約15微米。一第二層介電性材料形成於該防護環之曝露部分上，及一電傳導性材料形成接觸於該防護環內之該磊晶層之一部分。

根據又一實施例，本發明包括一種具有一至少約250伏特逆向崩潰電壓之尚特基二極體。該尚特基二極體包含一第一傳導性類型之半導體基板，其具有第一及第二主表面。一第一傳導性類型之磊晶層設置於該半導體基板之該第一主表面上。該磊晶層具有一表面、一至少約15微米厚度、及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之雜質濃度。一第一傳導性類型之防護環係從該磊晶層表面延伸入該磊晶層內一約3微米至約15微米範圍之距離，其中該磊晶層厚度、該磊晶層雜質濃度、及該防護環進入該磊晶層之距離併合以提供至少約250伏特崩潰電壓。一第一電傳導性材料設置於該防護環內之該磊晶層之一部分上，及一第二電傳導性材料設置於該半導體基板之該第二主表面上。

大體上，本發明提供一種具有一大於約250伏特逆向崩潰電壓之尚特基二極體及一種製造該尚特基二極體之方法。在先前技術中，尚特基二極體包含一金屬，以接觸於一設置於一N型傳導性基板上之N型傳導性磊晶層與一P型傳導性防護環，崩潰電壓則小於200伏特。在這些裝置中，當崩潰電壓超過200伏特時，其切換速度即慢到讓人無法接受。本發明人己發現使尚特基二極體具有大於約250伏特崩潰電壓同時可維持其切換速度之參數組合。此項預料不到的結果可供矽製之尚特基二極體適用於高頻率、低順向電壓、及高崩潰電壓應用。

圖1係根據本發明之一實施例在一初期製造階段之一尚特基二極體10之一部分之側視截面圖。圖1中所示者為一半導體材料12，其包含一單晶半導體基板14且具有一設於其上之磊晶層16。磊晶層16具有一主表面18，以作為半導體材料12之頂表面，且基板14具有一主表面20，以作為半導體材料12之底表面。較佳為，半導體基板14及磊晶層16為N型傳導性，其中半導體基板14內之N型摻雜劑或雜質材料之濃度較磊晶層16大。根據本發明之一實施例，磊晶層16具有一至少約15微米(μm)之厚度。較佳為，基板14係以具有一每立方厘米至少1x10^{1 8} 個原子濃度(原子/立方厘米)之磷摻雜，及磊晶層16係以具有一從大約1x10^{1 4} 原子/立方厘米至1x10^{1 5} 原子/立方厘米濃度範圍之磷摻雜。更佳為，磊晶層16係以具有一大約5x10^{1 4} 原子/立方厘米濃度之磷摻雜。應該瞭解的是基板14及磊晶層16之雜質材料並不限於磷，其亦可為砷、銻或其他N型傳導性材料。再者，基板14及磊晶層16可以一P型傳導性材料摻雜，而非一N型雜質材料。另應瞭解的是基板14為選項性且可自半導體組件10中省略。

一層具有大約40埃至15,000埃厚度範圍之介電性材料22係形成於磊晶層16上。舉例而言，介電層22為一藉由正矽酸乙酯分解而形成之TEOS層。其他適當之介電性材料包括熱生長之氧化物、沉積之氧化物、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、多矽之氮化矽(SiRN)、碳化矽(SiC)、氫化氧化碳矽材料(SiCOH)或類似物。一層光阻材料24形成於介電層22上且被圖案化以具有一開孔26，用於曝露介電層22之一部分。根據一實施例，開孔26具有一環圈形狀。因此，圖1之截面圖說明開孔26之二部分。應該瞭解的是開孔26之形狀並非本發明之一項限制，亦即，其可以是圓形、三角形、四邊形、五邊形或其他多邊形狀。

請即參閱圖2，介電層22之曝露部分被蝕刻，例如使用一非等向性反應離子蝕刻。根據一實施例，磊晶層16使用作為一蝕刻停止層，其中該蝕刻在介電層22內形成一環形開孔或槽道30，以曝露磊晶層16之一部分。應該瞭解的是該蝕刻可為一等向性蝕刻或一非等向性蝕刻。一薄遮罩氧化物層可以形成於磊晶層16之曝露部分上。另者，蝕刻可以終止而留下介電層22之一薄部分，以作為一遮罩氧化物。

請即參閱圖3，一P型傳導性之雜質材料，例如硼，其被植入通過開孔30而到達磊晶層16之曝露部分，以形成一防護環32。P型傳導性之其他適當雜質材料包括鋁、銦、或類似物。因為開孔30具有一環圈形狀，防護環32亦具有一環圈形狀。舉例而言，硼係以一從大約7x10^{1 2} 原子/平方厘米至3x10^{1 3} 原子/平方厘米之劑量範圍及從大約40仟電子伏特(KeV)至150 KeV之植入能量植入。形成防護環32之摻雜劑係自表面18延伸入磊晶層16至少約5 μm。較佳為，防護環32係一階級狀結構。

一具有大約500埃至10,000埃厚度範圍之介電層34係形成於磊晶層16之曝露部分上。根據一實施例，防護環32及介電層34之形成係彼此同時地發生。易言之，將摻雜劑擴散而形成防護環32之製程亦將磊晶層16之曝露部分氧化，因而形成介電層34。相同於防護環32的是，介電層34具有一環圈形狀。請注意在介電層34之形成期間，位於介電層22與磊晶層16之間介面處之矽被氧化，因而增加介電層22之厚度。

請即參閱圖4，一層光阻材料沉積於介電層22、34上且被圖案化以形成一蝕刻光罩36，其具有一從介電層34之一部分朝上延伸之側面38。蝕刻光罩36覆蓋介電層22、34之周邊區域，而位於防護環32內之磊晶層16上之介電層22部分則無。

請即參閱圖5，未受到蝕刻光罩36保護之介電層22、34部分被蝕刻，例如使用一非等向性反應離子蝕刻。在非等向性蝕刻之後，位於防護環32內之磊晶層16表面18之一部分及防護環32之一部分即曝露。儘管該蝕刻已被揭述為一非等向性蝕刻，但是此並非本發明之一項限制，亦即，其也可以是一等向性蝕刻。

請即參閱圖6，一耐高溫金屬層40，例如鉑，其一致性地沉積於磊晶層16、防護環32及介電層22之曝露部分上。適合之耐高溫金屬包括鉑、鎢、鈦、鎳、鈷或類似者。耐高溫金屬層40係經加熱以在所有區域內皆形成一金屬矽化物(如圖7所示)，在該等所有區域內該耐高溫金屬接觸於矽。在沉積期間、或在一後續加工步驟期間，耐高溫金屬層40可以在一烤箱內加熱。

請即參閱圖7，一金屬矽化物層42係由防護環32內之磊晶層16部分及沿側向鄰接於介電層34之防護環32部分形成。非矽區上之耐高溫金屬部分仍未發生反應。未反應之耐高溫金屬隨後使用習於此技者熟知之製程去除。應該瞭解的是矽化物之類型並非本發明之一項限制。適合之矽化物包括矽化鈦、矽化鉑、矽化鎳、矽化鈷、矽化鎢、其一組合、或類似者。另應瞭解的是矽化物層42係一可省略之選項性層。例如，耐高溫金屬層40之一部分可以使用作為傳導性金屬，且變成矽化物之耐高溫金屬屬40部分則使用作為障壁層。

請即參閱圖8，一金屬層44係形成於矽化物層42上及介電層22上。一層光阻材料形成於金屬層44上且被圖案化以形成一蝕刻光罩46，該蝕刻光罩係位於在矽化物層42上、在介電層34其餘部分上及在沿側向鄰接於介電層34之介電層22之一部分上的金屬層44部分上。

請即參閱圖9，未受到蝕刻光罩46保護之金屬層44部分係經蝕刻以形成一圓形金屬接點48。環圈52、54、56係配合圖10說明。一層電傳導性材料50沉積於基板14之表面20上。

請即參閱圖10，其說明圖9之尚特基二極體10之俯視圖。圖10中所示者為與尚特基二極體10相關聯之環或圈形結構。較特別的是，環形區52係因從金屬接點48周邊部分及一部分介電層22所反射之光造成。環形區54係因從環形介電層34及位於介電層34上之接點48部分所反射之光造成。環形區56係因從沿側向鄰接於介電層34之防護環32部分及在防護環32上或上方之矽化物層42部分與金屬接點48所反射之光造成。

目前為止應該瞭解的是一種具有一大於約250伏特崩潰電壓及一小於約200奈秒切換速度之尚特基二極體，及一種製造該尚特基二極體之方法已提供於上。本發明之尚特基二極體提供這些性能優點，同時可以使用習知半導體加工製造。因此，其有製造上之成本效益。根據本發明，磊晶層厚度配合上防護環延伸入磊晶層之距離即可以提供該尚特基二極體有一至少約250伏特逆向崩潰電壓。

儘管特定較佳實施例及方法已說明於本文內，習於此技者從前文中可瞭解到在不脫離本發明之精神與範疇下，仍可達成該等實施例之變化及修改。例如，該電傳導性材料並不限定是一設在一矽化物層上之金屬層，其亦可為一無矽化物之金屬層，或者其可為重度摻雜之多晶矽。本發明應僅由文後請求項之範圍及適用法律之規則與原則所限制。

10．．．尚特基二極體

12．．．半導體材料

14．．．單晶性半導體基板

16．．．磊晶層

18、20．．．主表面

22、34．．．介電層

24．．．光阻材料

26、30．．．開孔

32．．．防護環

36、46．．．蝕刻光罩

38．．．側面

40．．．耐高溫金屬層

42．．．金屬矽化物層

44．．．金屬層

48．．．金屬接點

50．．．電傳導性材料

52、54、56．．．環圈

本發明可以藉由以上詳細說明，並配合附圖審閱而得知，圖中相同參考編號表示相同元件，及其中：圖1係根據本發明之一實施例在一初期製造階段之一尚特基二極體之側視截面圖；圖2係圖1之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖3係圖2之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖4係圖3之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖5係圖4之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖6係圖5之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖7係圖6之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖8係圖7之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；圖9係圖8之尚特基二極體在一稍後製造階段之側視截面圖；及圖10係圖9之尚特基二極體之俯視圖。

10．．．尚特基二極體

12．．．半導體材料

14．．．單晶性半導體基板

16．．．磊晶層

18、20．．．主表面

22．．．介電性材料

24．．．光阻材料

26．．．開孔

Claims (20)

1. 一種製造一具有一大於約250伏特崩潰電壓之尚特基二極體之方法，包含：提供一具有第一及第二主表面之一第一傳導性類型半導體材料，該半導體材料包含一設於一半導體基板上之磊晶層，該磊晶層具有一至少約15微米厚度及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之雜質濃度；將一第二傳導性類型防護環形成於該半導體材料內，其中該防護環係從該第一主表面延伸入該半導體材料內約3微米至約15微米；將一第一介電性材料形成於該防護環上方；及將一電傳導性材料形成於該第一主表面之一部分與該防護環上方。
2. 如請求項1之方法，尚包括在實質上同一時間形成該防護環及形成該第一介電性材料。
3. 如請求項1之方法，其中形成該防護環包括將該防護環形成一環圈狀。
4. 如請求項3之方法，其中形成該電傳導性材料包括將該電傳導性材料形成於該環圈狀防護環內之該主表面部分上方。
5. 如請求項4之方法，其中將一電傳導性材料形成於該主表面之一部分與該防護環上方包含：從該環圈狀防護環內之該磊晶層之一部分形成一矽化物層；及將一金屬層形成於該矽化物層上。
6. 如請求項1之方法，其中形成該第一介電性材料包含：將一氧化物層形成於該半導體材料上；將一環形槽道形成於該氧化物層內，其中該環形槽道曝露出該半導體材料之一部分；及將該第一介電性材料形成於由該環形槽道曝露之該半導體材料部分。
7. 如請求項1之方法，進一步包括形成該氧化物層以具有一第一厚度及形成該第一介電性材料以具有一第二厚度，該第一厚度較該第二厚度大。
8. 如請求項1之方法，其中該磊晶層內之該雜質材料濃度係每立方厘米約5x10^{1 4} 個原子。
9. 如請求項1之方法，其中將該電傳導性材料形成於該主表面之一部分與該防護環上方包含：從該磊晶層之一部分形成一矽化物層；及將一金屬層形成於該矽化物層上。
10. 如請求項1之方法，其中將該電傳導性材料形成於該主表面之一部分與該防護環上方包含將一金屬層形成於該防護環內之該磊晶層之一部分上。
11. 如請求項10之方法，進一步包括將一電傳導性材料設置於該半導體材料之該第二主表面上。
12. 一種製造一具有一至少約250伏特逆向崩潰電壓之尚特基二極體之方法，其包含：提供一具有第一及第二主表面之半導體基板，該半導體基板係一第一傳導性類型；從該第一主表面生長一磊晶層，該磊晶層具有一表面、一至少約15微米厚度及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之該第一傳導性類型雜質濃度；將一第一層介電性材料形成於該磊晶層上；將一開孔形成於該第一層介電性材料內，該開孔曝露出該磊晶層之一第一部分；將一第二傳導性類型防護環形成於該磊晶層內，該防護環係從該磊晶層表面延伸入該磊晶層內約3微米至約15微米；將一第二層介電性材料形成於該防護環之曝露部分上；及將一電傳導性材料形成接觸於該防護環內之該磊晶層之一部分。
13. 如請求項12之方法，其中形成該防護環包含使用一第二傳導性類型雜質材料摻雜該磊晶層。
14. 如請求項12之方法，其中形成該電傳導性材料包含：從該磊晶層之表面形成一金屬矽化物；及將一金屬層設於該金屬矽化物上。
15. 如請求項14之方法，進一步包括將一電傳導性材料設置於該半導體基板之該第二主表面上。
16. 如請求項12之方法，其中形成該電傳導性材料包含將一重度摻雜之多晶矽層或一金屬其中一者形成於該磊晶層之表面上。
17. 如請求項12之方法，其中形成該電傳導性材料包含將該金屬設於該磊晶層之表面上。
18. 一種具有一至少約250伏特逆向崩潰電壓之尚特基二極體，其包含：一第一傳導性類型之半導體基板，其具有第一及第二主表面；一第一傳導性類型之磊晶層，其設置於該半導體基板之該第一主表面上，該磊晶層具有一表面、一至少約15微米厚度及一從每立方厘米約1x10^{1 4} 個原子至每立方厘米約1x10^{1 5} 個原子範圍之雜質濃度；一第二傳導性類型之防護環，其係從該磊晶層之表面延伸入該磊晶層內一約3微米至約15微米範圍之距離，其中該磊晶層厚度、該磊晶層雜質濃度及該防護環進入該磊晶層之距離併合以提供至少約250伏特崩潰電壓；一第一電傳導性材料，其設置於該防護環內之該磊晶層之一部分上；及一第二電傳導性材料，其設置於該半導體基板之該第二主表面上。
19. 如請求項18之尚特基二極體，其中該防護環係一階級狀結構。
20. 如請求項18之尚特基二極體，其中該第一電傳導性材料包含：一金屬矽化物；及一金屬，其設置於該金屬矽化物上。