TW317647B - - Google Patents

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Description

經濟部中央搮率局貝工消费合作社印«. A7 _B7___五、發明説明（1) 本案主張擁有在1995年10月10日，向美國申請之專利 申請案之利益* S亥案之美國申請序號（U.S. Provisional Application Ser i a 1)為第60/004,983_ 〇 本發明係有關於半導體元件，尤其是有關於高壓半導 體元件，更特別是有闞於需要高導電性及高崩潰電壓的半 導體元件。 碳化矽（SiC)比矽（Si)具有較高的能隙，因此對於高 颳元件，SiC真有更高的臨界崩潰霣場(Critical Avalanche Electric Field) ， 並具有較砂高 100 倍的性能 。尤其 ，3C-SiC較Si具有幾乎4倍高的臨界崩潰霣場•而6H-SiC 則具有幾乎8倍高的臨界崩溃電埸*而4H-SiC有10倍高的 臨界崩潰電場。相對於習用之Si的功率元件而言，SiC的 高臨界崩潰雪湯允許有更高的摻雜與更薄的薄餘區（Drift Region) »箱以降低SiC的功率元件之導确當B日（Πη-Rps is_ tance) ° 但是，習用SiC也存在一問題，即接雜劑（Dopant上不-容易擴散進SiC材料中。特別是’需要180CTC左右的高溫 *使摻雜劑擴散至SiC中。另一個問題是，該材料甚_低逢， 氣半通道載體遷移率（M0S Channel Carrier Mobility)， 所Μ，當SiC在半導艘元件中當作通道材料時，其通道的 導電性可能會降低。 本發明提供一種半導體結構，包括一SiC材料的主艘 與其上的一曆薄的Si蒸晶餍，以克服上述習用技術之缺陷 。Si磊晶層的較佳厚度為3//m。此結構可用於功率金氣半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） IJ-------C 装-- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本買> 订-
SV 317647 A7 B7 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印装 五、發明説明（2) 場效電晶體（MOSFET)，溝檑功率MOSFET，二極體和其他的 半導體元件。 為降低成本，SiC層可在一高摻雜的Si基底上形成（文 獻報告指出：3C-SiC在Si上較易長成）。這竖結構，例如 功率MOSFET，具有一砂晶晶層，可在一既有的砂功率MOS-FET製作設備中，K既有的製程進行生產。 本發明半導體元件（如功率MOSFET)之遷移區主要包括 SiC *而且，既然SiC的接雜較Si高很多（與支撐相同電應 之一習用Si元件比較）*本發明的半導體元件新結構，比 習用Si功率元件，提供較低的導通電阻。需要注意的是， 本發明元件結構的崩潢霄壓，仍然由於部份Si上形成之P 型主體（Body)/N-型遷移區接面的臨界電場決定。.對於高 壓元件（例如：高於60伏特），本發明的元件結構提供較習· 用之Si元件低20到90%的導通轚阻。 在本發明的新結構中* P型主體/N-型遷移區的接面， 能夠完全在Si中形成，或是形成Si/SiC的異質接面。為 了達到最佳改菩效果，Si層需愈薄愈好，並且P型主體擴 散需使得P型主體/N-型遷移區接面能在SiC中形成。但是 此結構需藉高溫將摻雜劑擴散至SiC中，K及需較長的時 間。 本發明也可Μ其他高能隙的半導體材料來代替SiC材 料*該作法也在本本發明範圍内。 參考附圖，並配合以下之描述，本發明的其他特色及 優點將更為明顯。 |/^ ___ ·丨丨 I.J-------^裝-- (請先《讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 K4 本紙張尺度逋用中國國家榡準《CNS ) A4规格（210X297公漦) 317647 A7 B7 經濟部中央揉準局—工消费合作社印製 五、發明説明（3) 圖式之簡單說明： νώΐ為本發明的功率DMOSFET元件之横截面圖。 ^^12為本發明蕭基二極體（Schottky Barrier Diode) ' / " s 元件之横截面圖。 ^/^13為本發明溝槽（Trench)功率ΜΟ$ΕΈΤ元件之横截面 / · Λ. 圖。 4為本發明功^H〇SF：ET元件的另一個實施例之横截 —______ 面_。 \/^5為本發明溝榴功率M0SFET元件的另一個實施例之 横截面圖。 ». · · N一. 為圖4中P型矽和N型碳化砂接面之横截面圖與電場 ' \ 分布圖。 v^B7為圖1在較高電Μ下各接面之横截面圖與電埸分佈 画。 玆配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。 參閲圖1，本發明的功率DMOSFET元件之横截面圖。顯 示出根據本發明的一種新的SiC功率DMOSFET结構，其中， 一種N型的SiC遷移區11配置在習用的N+型Si基體上。SiC 區域11較Si有更高的慘雜，所以當支搏相同高的崩潰電應 時，SiC區域11較Si遷移區的_習用技術具有較小的電阻。 一3微米厚的型藩晶層12在SiC遷移區11的頂部長成。習 用的功率MOSFET接面（例如：P-型通道區域13和14 ; P +塑 *·. 本紙張尺度逋用中國鬮家揉準（CNS ) A4规格（210X297公瘦） (请先《请背面之注$項再填窝本寊) 装· 訂 317647 A7 _上____B7 _ 五、發明説明（4：) 主體區域15和16 ; N+型源極17和18 ;多晶矽閘極19 ;閘極 氣化層20 ;層間氧化層21 ;以及頂部源極接觸曆22)配置 在N-型磊晶層12上。一個汲極接觸層23配置在基體1〇的底 部。 參閱圖6，圖4中卩型砂和N型碳化砂接面之横截面圖與 電場分布圖。顯示出在SiC區域11中的電子數為具有同樣 崩潰電壓之砂的三倍多。圖中顯示一種P型Si51和N梨SiC 52的接面50，及其對應的電場。相較Si的M0SFET而言，要 得到一較低導通霄阻的遷移區，遷移區摻雜（Nrf)須較高， 以支撐電高壓，；而為了支撐高壓，則需要小的遷移區厚 度。也就是說，通移區須能Μ高接雜（NcO和最小的厚度（W )，去支撐其截止爾壓。 在接面50處，高斯定律（Gauss’ Law )使得以下等式 成立：
Csi^Eai =€si ^Esi 〇 Es i = (€s i/€sI )«Es i c 經濟部中央揉準局身工消费合作社印装 (請先閎讀背面之注f項再球寫本買)
EsI=〇.82^^3 t c, for 3C~S i C Es i 〇*=i. 2l5»Es i , for 3C-SiC 一般而言，在平均撥雜的遷移區，下面的關係成立： qNdV^/e ,其中Ec為此结構崩潰時的臨界崩 潰電場
Es1°=1.21«E〇,sI E 場的斜 = dE/dY = 遷移區摻雜正比於;邊移區厚度W正比於e。 ---- 本紙張尺度逍用T躅鬮家標準（CNS ) A4规^ ( 210X 297公' 317647 經濟部中央檫準*ιτ貝工消费合作社印蓑 A7 B7______五、發明説明（5 ) 上述等式表示*要使電場在最短的距離降為〇(亦即需 要最小遷移區厚度W)，則遷移區材料的介電係數（€)應盡 可能的低。 所Μ，要得到高的遷移區摻雜，較矽而言，遷移區應 用具有較高臨界崩潰電場的衬料製成。 要得到較小的遷移區厚度，較砂而言，遷移區懕用具 有較低的介電係數的材料製成。 相較於Si，SiC具有較高的臨界崩潰電場以及較低的 介霣係數。所Μ，SiC作為通移區材料是非常合適的，為 了降低遷移區的電阻，遷移區應該K類似SiC的材料製成 〇 參考圖1，任何拓撲（Topology)都可作為N-型晶晶層 12的接面*因此依據本發明，可得其他的MOS閘元件。 參考画2 *本發明蕭基二極體元件之横截面圖。其組 成與圖1中所定義的相類似。圖1和圈2结構的主要差異在 於（i)區域12沒有接面，而使用習用的保護環（Guard Ring );(ii)陰極（Cathode)22a最好為高工作性能的材料，例 如鉬（Mo)之類。如上所討論，同樣的崩潰電懕下，SiC材 料中的電子數目較Si的高出很多，所以，元件的導電性比 具有同樣崩潰電歷的習用元件有所提高。 參考圖3，本發明溝槽（Trench)功率MOSFET元件之横 截面圖。其中顯示出根據本發明所得之一種溝槽功率M0SF ET的结構。一個從P+型主體31延伸而得的P型砂層30，與 一閘極氧化層32相反配置，該閘極氧化曆32與矽中所蝕刻 (請先閲讀背面之注$項脣填寫本買) 本紙张尺度適用中國國家揉率（CNS >八4规格（210X297公釐） 經濟部中央揉準局Λ工消费合作社印装 317647 at _ _B7_：_五、發明说明（6 ) 的溝槽排成一線。該溝檐由多晶砂亂極33所填滿。一N +型 源極擴散區域34擴散進入？型區域30和31 ’同時一源極接 觸區22配置在區域31、34和閘極氧化層32之上。如上所討 論，在SiC材料中的轚子數目’比具有同樣崩潰電壓的Si 高很多。 參考画4，本發明功率DMOSFET元件的另一偭實施例之 横截面圖。圖中·結構與圖II的相類似*其中P+型基體15和 16直接與SiC遺移區11接觸’造成相尉較智的磊晶層12。 參考圖5 ·本發明溝榷功率MOSFET元件的另一個實施 例之横截面_。除了在P+型區域31、P型區域30和N型區域 11之間的接面係由Si/SiC的異質接面形成以外，圖5的元 件類似於圖3的元件。 雖然本發明已被特殊的實施例所描述*但許多其他變· 化、修正和其他用途對於精於此項技術的人而言·係顯而 易見，因此希望本發明不會被以上之特殊攥露所限制，但 為所附加申請専利範園所限制。 綜上所述，當知本案發明具有實用性與創作性，且本 發明未見之於任何刊物，當符合專利法規定。 唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當 不能K之限定本發明實施之範園。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應靨本發明專利涵蒹之 範圍内。 ^---1---------C 装-- (請先面之注$項莓填寫本買) 訂 in.
本紙張尺度適用中國國3^#準（CNS > A4规格（210X297公&T « i imam

Claims (1)

  1. A8 B8 C8 D8 鐘濟部中央標率局tec工消费合作社印装 六、申請專利範圍 ι·—種半導艘元件，包括： ·； .·»Λ .;、、 * ·. ·- . —半導體基體； —高能隙材料•在半導嫌基艚上形成遷移區；Κ及 一半導體材料的磊晶曆》配置在該隙材料上。 2·如申請専利範園第1項所述之半導體元件•其中形成該 遷移區的高能隙材料為一具有低介霣係數、高載子遷移 率的材料。 3. 如申謫専利範圃第1項所述之半導體元件•其中該半導 體材料的磊晶曆的厚度大約為3微米。 4. 如申請専利範園第1項所述之半導髓元件•其中該半導 體基體材料為矽。 5. 如申請專利範圓第1項所述之半導«元件•其中形成該 遷移區的高能隙材料為碳化矽。 6. 如申請専利範圓第1項所述之半導《元件，其中該半_ 雅材料的晶晶靥為矽。 7. 如申請専利範園第1項所述之半導嫌元件，其中該半導 體基》材料為矽•形成遷移區的高_隙材料為碳化矽* 該半導《材料的磊晶曆為矽。 8. —種MOSFET半導賊元件，包括： 一摻雜的半導體基嫌； 一给雜的高能隙材料，在摻雑的半導體基體上形成一遷 移區；以及 一摻雜的半導《材料磊晶靥•配置在該高能隙材料上。 9. 如申請專利範圃第8項所述之MOSFET半導嫌元件•其中 〜10〜 i 面 之 注 I Λ 袈 % 订 Κ 本紙浪欠度逋用中•國家樑率（CNS ) A4«UI· ( 210X297公兼） 經濟部中央樣率局貞工消费合作社印*. Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 形成該遷移區之摻雑的高能隙材料，為«有低介電係 歟、高載子遷移率的材料。 10.如申請専利範園第8項所逑之MOSFET半導«元件，其中 該半専體材料的磊晶曆厚度，大約為3微米。 11·如申謫專利範園第8項所述之MOSFET半導嫌元件•其中 該半導體基體材料為矽。 如申諌専利範園第8項所述之MOSFET半等體元件•其中 形成該遷移區的高能隙材料為碳化矽。 13. 如申請専利範園第8項所述之MOSFET半専«元件，其中 該半導«材料的磊晶曆為砂。 14. 如申請専利範圃第8項所述之MOSFET半導體元件，其中 該半導體基體材料為矽，彤成該钃移區的高能隙材料 為碳化矽*該半導嫌材料的磊晶靥為矽。 15. —種半導體二極體•包括： 一摻雜的半導體基《: 一摻雑的高能隙材料•在該摻雑的半導體基嫌上形成 一遷移區；Μ及 一摻雜的半導體材料磊晶靥，配置在該高能陳材料上 〇 16. 如申請専利範困第15項所述之半導體二極體，其中形 成該邊移區之摻雜的高能隙材料為一具有低介霣係數 、高載子通移率的材料。 17. 如申請專利範園第15項所述之半導«二極體•其中該 〜11〜 本纸張尺Λ·適用令國家橾率（CNS)Α4規旅（21〇Χ297公釐） --------f袈丨— (KHt面之注$項脣埃寫本霣) 訂 317647 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 半導體材料的磊晶曆厚度，大約為？微米」。 ;\ · 18. 如申誧専利範園第15項所述之半導體二極體，其中該 半導體基«材料為矽。 19. 如申謫専利範園第15項所述之半導體二極體•其中形 成該遷移區的高能隙材料為碳化矽。 20. 如申請専利範園第15項所述之半導髓二棰體，其中該 半導體材料的磊晶曆為矽。 21. 如申請専利範匯第15項所述之半導體二極體，其中該 半導髁基體材料為矽•形_該邐移區的高能隙材料為 碳化砂。 22. 如申請専利範圃第1項所述之半導體元件•其中該半導 嫌為一溝横功率M0SFET。 23. 如申請專利範圃第1項所述之半導嫌元件*進一步包括 功率M0SFET接面，配置在磊晶曆上，並包括P+型主嫌 區域、N+型源極；一多晶矽閜棰；閘極氧化靥以及所 有配置在磊晶曆上的源極接觸匾。 24. 如申請専利範匯第21項所述之半導體元件•進一步包 括一汲棰接觸區•配置在該半導體基髁下。 鯉濟部中央樣率局負工消合作社印装 (請先Η#·背面之注$項再$本蒽) 25. 如申請専利範匯第8項所述之M0SFET半導《元件，其中 支撐P型主體/N-型遷移區接面的高壓•在磊晶曆/高能 隙材料的異質接面處形成。 26. 如申讅専利範圃第8項所述之M0SFET半導雄元件，其中 / 支撐P型主體/N-型遷移區接面的高® •在比接面更深 處的高能隙材料之蒸晶曆中形成。 〜12〜 本，張尺度逋用中國國家樑率( CNS ) Α4ΛΜΜ 210X297公釐) ~ ... ...... 317647 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 27.如申請専利範圃第8項所述之MOSFE了半導體元件 > 其中 :· ·ν :、、 Λ . 支撐Ρ型主體/Ν-型遷移區接面的高壓•形成於該高能 隙材料中*而該高能賺材料具有磊晶暦/高能隙異質接 面•配置在比Ρ型主«/Ν-型«移區接面較淺處。 --------?11----ir------r, (#.先Ht面之注f項再揍寫本I) 經濟部中央梂準局βζ工消费合作社印*. 〜13〜 本紙張尺度逋用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）
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