具有外延式護環的肖特基二極體元件及其製作方法

2023-10-25 13:00:02

專利名稱：具有外延式護環的肖特基二極體元件及其製作方法
技術領域：
本發明關於一種具有外延式護環的肖特基二極體(Schottky diode)元件，特別是 一種具有低正向電壓損耗(low forward voltage drop)的肖特基整流二極體(Schottky rectifier)元件及其製作方法。
背景技術：
肖特基二極體是由微量摻雜的半導體(通常為N型)，與諸如金、銀或鉬等金屬結 合而成，因此其接面並非PN結(PN junction)。肖特基二極體是一種快速切換二極體，在應 用上可作高頻信號的整流作用。請參閱圖1，其所示為傳統的肖特基二極體100的剖面結構。如圖1所示，傳統的 肖特基二極體100形成在一 N型外延矽層210上，N型外延矽層210可以是由一 N型重摻雜 的矽基材200以外延工藝長出。在N型外延矽層210的表面上，有一環狀氧化層110，例如 二氧化矽，其定義出一主動區域開口 300，在主動區域開口 300內的N型外延矽層210的表 面上形成有一矽化金屬層120，以及一導電層124，其設於矽化金屬層120上，並填滿主動區 域開口 300。在N型重摻雜的矽基材200的背面，形成有一導電層224，並使導電層224與 N型重摻雜的矽基材200構成歐姆接觸(ohmic contact)。在環狀氧化層110下方的N型 外延矽層210中形成有一 P型護環(guard ring)結構230。環狀氧化層110的功能之一在於後續沾錫工藝時，用以防止從導電層124上溢流 下來的錫膏直接接觸到N型外延矽層210造成短路。此外，沿著環狀氧化層110的外緣，是 一切割道區域310。傳統的肖特基二極體工藝的最後一道步驟就是沿著切割道區域310進 行晶圓切割，形成一個一個的分離式元件。在切割道區域310中形成有一矽化金屬層122 以及一 P型摻雜區域232。P型護環結構230與P型摻雜區域232彼此在空間上相隔一段 距離，而不互相接觸。然而，上述傳統的肖特基二極體100至少還有以下的缺點，待進一步的改良與改 善(1)在有限的矽片面積上，傳統的肖特基二極體100的接觸面積不易增加，導致其正向 電壓損耗不易降低；(2)傳統的肖特基二極體100的P型護環結構230與N型外延矽層210 之間的PN結230a過於突變(abrupt)，容易造成逆向漏電路徑；以及(3)傳統的肖特基二 極管100的導電層124直接接觸並跨在部分的環狀氧化層110上，但在高溫工作時，由於金 屬與二氧化矽的熱膨脹係數差異，會造成金屬與二氧化矽界面崩裂，導致反向電流增加，甚 至使元件失效。

發明內容
本發明的主要目的在提供一種改良的肖特基二極體元件結構，以克服前述現有技 術的不足與缺點。根據本發明一較佳實施例，本發明提供一種具有外延式護環的肖特基二極體元件 結構，包含一矽基材；一外延矽層，設於該矽基材上；一環狀溝渠，設於一切割道區域，且圍
4繞著該外延矽層；一絕緣層，至少形成在該環狀溝渠的一側壁上；一矽化金屬層，設於該外 延矽層上廣導電層，設於該矽化金屬層；以及一護環結構，設於該外延矽層中，並且與該 絕緣層接壤。根據本發明另一較佳實施例，本發明提供一種具有外延式護環的肖特基二極體元 件的製作方法，包含提供一矽基材；於該矽基材上長出一外延矽層；於該外延矽層上形成 一第一介電層；進行一離子植入工藝，在該外延矽層中形成一護環結構；去除該第一介電 層；於該外延矽層上形成一第二介電層；刻蝕一切割道區域內的該第二介電層、該護環結 構、該外延矽層及該矽基材，形成一環狀溝渠；於該環狀溝渠的內壁上形成一絕緣層；去除 該第二介電層，暴露出該外延矽層；於該外延矽層上形成一矽化金屬層；以及於該矽化金 屬層上形成一導電層。為讓本發明上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並 配合所附附圖，作詳細說明如下。


圖1所示為傳統的肖特基二極體的剖面結構；圖2為依據本發明較佳實施例所示的肖特基二極體元件結構的剖面示意圖；圖3至圖9所示的是本發明肖特基二極體元件的製作方法示意圖。其中，附圖標記1肖特基二極體元件結構12矽化金屬層14導電層20N型重摻雜的矽基材20a 背面21N型外延矽層23P+護環結構24導電層30主動區域31切割道區域40深溝渠42絕緣層42a凸出部分46帶狀間距52薄矽氧層52a矽氧層54厚矽氧層56氮化矽層60光刻膠圖案60a 開 口70光刻膠圖案
70a 開口
100肖特基二極體
110環狀氧化層
120矽化金屬層
124導電層
122矽化金屬層
200N型重摻雜的矽基材
210N型外延矽層
224導電層
230P型護環結構
230a PN 結
232P型摻雜區域
300主動區域開口
310切割道區域
具體實施例方式請參閱圖2，其為依據本發明較佳實施例所繪示的具有外延式護環的肖特基二極 管元件結構1的剖面示意圖。如圖2所示，本發明肖特基二極體元件結構1為形成在一 N型 外延矽層21上，N型外延矽層21可以是由一 N型重摻雜的矽基材20以外延工藝長出。環 繞在N型外延矽層21周圍的，是一切割道(scribe line)區域31，其實際上為一向下穿過 N型外延矽層21，並且直接深入到N型重摻雜的矽基材20的環狀深溝渠40，其寬度約30微 米左右，而環狀深溝渠40的深度大於N型外延矽層21的厚度，根據本發明的較佳實施例， 環狀深溝渠40的深度約為10微米左右。其中，環狀深溝渠40的垂直側壁是由N型外延矽 層21以及部分的N型重摻雜的矽基材20所構成，底部則是N型重摻雜的矽基材20。本發 明的特色之一是環狀深溝渠40直接定義出一主動區域30，使得主動區域30類似一個孤島 狀結構。根據本發明的較佳實施例，在N型外延矽層21中形成有一外延式P+護環(guard ring)結構23，其朝外連續地延伸到環狀深溝渠40的側壁或者切割道區域31。根據本發明 的較佳實施例，外延式P+護環結構23的寬度可以介於15微米至35微米之間，較佳為20 微米至30微米之間。在N型重摻雜的矽基材20的背面20a，形成有一導電層24，並使導電 層24與N型重摻雜的矽基材20構成歐姆接觸(ohmic contact)。在主動區域30內的N型外延矽層21的平坦表面上形成有一矽化金屬層12，例如， 鎳矽(NiSi)、鉬化矽(PtSi)Jiiti (TiSi)等，以及一導電層14，例如，鈦(Ti)、鎳(Ni)、銀 (Ag)或其組合，設於矽化金屬層12上，其中，矽化金屬層12覆蓋整個主動區域30。根據本 發明的較佳實施例，導電層14不會覆蓋住整個主動區域30，而是向內退縮並與環繞在N型 外延矽層21周圍的環狀深溝渠40保持一特定帶狀間距46，例如，5微米(micrometer)至 15微米左右。根據本發明的較佳實施例，環狀深溝渠40的垂直側壁以及底部上形成有一絕緣 層42，其厚度約為0. 1微米至2微米之間，較佳為0. 3微米至0. 8微米之間，例如，0. 5微米左右。根據本發明的較佳實施例，絕緣層42為一熱氧化(thermal oxide)層，其具有一凸 出部份42a，其凸出於矽化金屬層12的表面約0. 5微米左右，此凸出部份42a可以用來在後 續沾錫工藝時，阻擋溢流的錫膏。根據本發明的較佳實施例，絕緣層42與導電層14互不接 觸，兩者間的距離約為5微米至15微米之間。另外，由於環狀深溝渠40的垂直側壁上形成 有絕緣層42，因此完全不用擔心後續沾錫工藝中，溢流的錫膏會接觸到N型外延矽層21，這 使得工藝寬裕度及可靠度提升不少。本發明肖特基二極體元件結構1至少包括以下的特點及優點(1)本發明肖特基 二極體元件結構1的主動區域30由環狀深溝渠40直接定義出來的孤島狀結構，因此相較 於現有技術，本發明的主動區域30的面積可以增加約32%，使正向電壓損耗明顯降低，並 且能夠增加可靠度測試正向衝擊(forward surge)能力，散熱效果更佳，有較佳的高溫反向 偏壓表現；(2)本發明肖特基二極體元件結構1所採用的外延式P+護環結構23能徹底解 決現有技術的突變PN結(Abrupt PN junction) 230a(見圖1)導致的漏電流問題，可提供 更好的靜電放電保護能力；以及⑶由於導電層14不會接觸到絕緣層42，因此可以避免在 高溫工作時，金屬與二氧化矽界面崩裂，所導致反向電流增加的問題。請參閱圖3至圖9，其所示的是本發明肖特基二極體元件結構的製作方法示意圖， 其中，沿用相同的符號代表相同的區域或元件層。首先，如圖3所示，提供一 N型重摻雜的 矽基材20，在N型重摻雜的矽基材20的背面20a形成有一厚矽氧層54，其厚度約為4000 埃(angstrom)至6000埃左右。然後進行一外延工藝，在N型重摻雜的矽基材20的一面上 長出N型外延矽層21，再以氧化法在N型外延矽層21的表面上形成薄矽氧層52，其厚度約 為500埃左右。如圖4所示，接著在矽氧層52上形成一光刻膠圖案60，其具有一開口 60a，定義出 欲在N型外延矽層21中植入P型摻雜物質的位置及範圍，且此開口 60a與部分的主動區域 30邊緣以及全部的切割道區域31重疊。隨後，進行一離子植入工藝，經開口 60a在N型外 延矽層21中植入P型雜質，形成P+護環結構23。接著，進行一刻蝕工藝，經開口 60a將部 分的薄矽氧層52刻蝕除去，形成矽氧層52a。之後，將光刻膠圖案60剝除。根據本發明的 另一較佳實施例，也可以在形成P+護環結構23之後，先剝除光刻膠圖案60，然後再完全去 除薄矽氧層52。如圖5所示，在將光刻膠圖案60剝除之後，可以進行一熱推阱(thermaldrive-in) 工藝，活化P+護環結構23內的摻雜物質。接著進行一化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)工藝，在N型外延矽層21的表面上以及矽氧層52a上沉積一均勻厚度的 氮化矽層56，其厚度約介於800埃至1200埃之間。如圖6所示，接著在氮化矽層56形成一光刻膠圖案70，其具有一開口 70a，定義出 切割道區域31的位置及範圍。隨後，利用光刻膠圖案70作為一刻蝕硬掩膜，進行一離子幹 刻蝕工藝，經開口 70a非等向性的向下蝕穿氮化矽層56、P+護環結構23、N型外延矽層21， 深入到N型重摻雜的矽基材20，同時形成一孤島狀的主動區域30以及環繞著主動區域30 的環狀深溝渠40。環狀深溝渠40的寬度約30微米左右，而環狀深溝渠40的深度大於N型 外延矽層21的厚度，根據本發明的較佳實施例，環狀深溝渠40的深度約為10微米左右。之 後，將光刻膠圖案70剝除。如圖7所示，在將光刻膠圖案70剝除之後，接著進行一熱氧化工藝，在環狀深溝渠40的垂直側壁上以及其底部形成厚度約為0. 5微米左右的絕緣層42，例如，二氧化矽。絕 緣層42具有凸出部份42a，其凸出於矽化金屬層12(示於圖9)的表面約0. 5微米左右，此 凸出部份42a可以用來在後續沾錫工藝時，阻擋溢流的錫膏。如圖8所示，接下來進行一刻蝕工藝，選擇性的將剩下的氮化矽層56去除，然後進 行另一刻蝕工藝，選擇性的將矽氧層52a去除，暴露出N型外延矽層21的表面。然後，進行 一拋光研磨工藝，將形成在N型重摻雜的矽基材20的背面20a上的厚矽氧層54研磨掉，暴 露出N型重摻雜的矽基材20的背面20a。如圖9所示，接著在主動區域30內的N型外延矽層21的表面上形成一矽化金屬 層12，例如，NiCrSi，然後在矽化金屬層12上以及N型重摻雜的矽基材20的背面20a上分 別形成導電層14及導電層24。導電層14及導電層24可以是Ti、Ni、Ag或其組合。根據 本發明的較佳實施例，矽化金屬層12覆蓋整個主動區域30，但是導電層14不會覆蓋住整個 主動區域30，而是向內退縮並與環繞在N型外延矽層21周圍的環狀深溝渠40保持一特定 帶狀間距46，例如，5微米至15微米左右。根據本發明的另一較佳實施例，矽化金屬層12 為TiSi，導電層14為Ni、Ag或其組合。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
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權利要求
一種具有外延式護環的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，包含一矽基材；一外延矽層，設於該矽基材上；一環狀溝渠，設於一切割道區域內，且圍繞著該外延矽層；一絕緣層，至少形成在該環狀溝渠的一側壁上；一矽化金屬層，設於該外延矽層上；一導電層，設於該矽化金屬層；以及一護環結構，設於該外延矽層中，並且與該絕緣層接壤。
2.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該環狀溝渠定義出一 主動區域。
3.根據權利要求2所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該矽化金屬層覆蓋住 全部的該主動區域。
4.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該環狀溝渠的深度大 於N型外延矽層的厚度。
5.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，其特徵在於，該環狀深 溝渠的深度為10微米。
6.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該絕緣層具有一凸出 部份，其凸出於該矽化金屬層的表面。
7.根據權利要求6所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該凸出部份凸出於該 矽化金屬層的表面0. 5微米。
8.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該矽基材為一N型重摻 雜的矽基材。
9.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該外延矽層為一N型外 延矽。
10.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該絕緣層包含二氧化娃。
11.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該矽化金屬層包含鎳 矽或鉬化矽或鈦矽。
12.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該導電層包含鈦或鎳 或銀或其組合。
13.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該護環結構為一P+護 環結構。
14.根據權利要求1所述的肖特基二極體元件結構，其特徵在於，該導電層與該環狀溝 渠之間保持一帶狀間距。
15.一種肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，包含 提供一矽基材；於該矽基材上長出一外延矽層； 於該外延矽層上形成一第一介電層； 進行一離子植入工藝，於該外延矽層中形成一護環結構；去除該第一介電層；於該外延矽層上形成一第二介電層；刻蝕一切割道區域內的該第二介電層、該護環結構、該外延矽層及該矽基材，形成一環 狀溝渠；在該環狀溝渠的內壁上形成一絕緣層； 去除該第二介電層，暴露出該外延矽層； 於該外延矽層上形成一矽化金屬層；以及 於該矽化金屬層上形成一導電層。
16.根據權利要求15所述的肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，該環狀溝渠 的深度大於該外延矽層的厚度。
17.根據權利要求15所述的肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，在去除該第 二介電層之前，進行一熱推阱工藝，活化該護環結構內的雜質。
18.根據權利要求15所述的肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，該第一介電 層為矽氧層。
19.根據權利要求15所述的肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，該第二介電層為氮化矽層。
20.根據權利要求15所述的肖特基二極體元件的製作方法，其特徵在於，該絕緣層具 有一凸出部分，其凸出於該矽化金屬層的表面。
全文摘要
本發明公開一種肖特基二極體元件結構，包含一矽基材；一外延矽層，設於該矽基材上；一環狀溝渠，設於一切割道區域，且圍繞著該外延矽層；一絕緣層，至少形成在該環狀溝渠的一側壁上；一矽化金屬層，設於該外延矽層上；一導電層，設於該矽化金屬層；以及一護環結構，設於該外延矽層中，並且與該絕緣層接壤。
文檔編號H01L29/872GK101872790SQ200910137640
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優先權日2009年4月27日
發明者黃志翔, 黃志聰 申請人:得詣科技股份有限公司