TWI497665B - A silicon carbide power element with a terminal structure - Google Patents

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Description

具終端結構的碳化矽功率元件
本發明為有關一種半導體元件，尤指一種具終端結構的功率元件。
功率元件可以廣泛的應用，以形成各種開關元件，例如電源供應器的開關、電信開關、電力開關等，其需求除了在主動區域能通過大電流，還要具備能在終端區域承受較大的崩潰電壓。
因此對功率元件而言，於設計上除了針對可導通電流的主動區域，還需要設計可避免逆偏操作時崩潰現象提早發生的終端結構，以提高元件的可靠度，傳統終端結構的類型有區域氧化(local oxidation of silicon，LOCOS)、電場平板(field plate)以及保護環(guard ring)等，而於美國發明專利公開第US20100032685號中，還揭示一種具有終端結構的功率元件，該功率元件的基板包含有一具有第一導電類型的漂移層、一具有與該第一導電類型相異的第二導電類型的緩衝層以及一具有第二導電類型的終端結構。該緩衝層位於該漂移層上，而與該漂移層形成一P-N接面，該終端結構設置於該漂移層而與該緩衝層相鄰，其中，該緩衝層包含一部分延伸至該終端結構上而部分覆蓋該終端結構的階部，藉以對抗高崩潰電壓所產生的電場。
然而，上述的方式為額外形成該緩衝層以提高該功率元件對抗崩潰電壓的能力，如此，使得該功率元件在製程上不僅需要增加製作該緩衝 層的步驟，並且該功率元件於對抗崩潰電壓在效果上仍然有改進的空間。
本發明的主要目的，在於解決習知功率元件在對抗崩潰電壓的設計上，需額外設置該緩衝層，而增加該功率元件的製程步驟的問題，並且該功率元件於對抗崩潰電壓的能力仍有改進的空間。
為達上述目的，本發明提供一種具終端結構的碳化矽功率元件，包含有一碳化矽基板、一功率元件結構以及一終端結構。該碳化矽基板具有一漂移層，該漂移層具有一第一導電性並包含有一主動區域以及一環繞該主動區域的終端區域；該功率元件結構設置於該主動區域；而該終端結構設置於該終端區域並具有一異於該第一導電性的第二導電性，該終端結構包含有至少一圍繞於該功率元件結構外側並與該功率元件結構相鄰的第一摻雜環、至少一圍繞該第一摻雜環的第二摻雜環以及至少一與該第一摻雜環重疊的輔助環。
其中，該第一摻雜環具有一小於該第二摻雜環的第一摻雜濃度以及一大於該第二摻雜環的第一摻雜深度，該輔助環具有一小於該第一摻雜深度的第三摻雜深度以及一大於該第一摻雜濃度的第三摻雜濃度。
如此一來，本發明藉由該第一摻雜環以及該第二摻雜的設置，令該第一摻雜環具有小於該第二摻雜環的該第一摻雜濃度以及大於該第二摻雜環的該第一摻雜深度，不需額外設置該緩衝層，即可增加該終端結構對抗該崩潰電壓的能力，以提高該碳化矽功率元件的可靠度，並降低該碳化矽功率元件的製造成本。
10‧‧‧碳化矽基板
11‧‧‧漂移層
111‧‧‧主動區域
112‧‧‧終端區域
12‧‧‧基層
20‧‧‧功率元件結構
21‧‧‧蕭基接面層
22‧‧‧金屬導電層
30‧‧‧終端結構
31、31a、31b‧‧‧第一摻雜環
32‧‧‧第二摻雜環
33‧‧‧輔助環
34‧‧‧摻雜井
341‧‧‧第一摻雜井
342‧‧‧第二摻雜井
D‧‧‧短距離
X‧‧‧電性曲線
Y‧‧‧電性曲線
S1‧‧‧第一距離
S2‧‧‧第二距離
S3‧‧‧第三距離
圖1，為本發明第一實施例的結構示意圖。
圖2，為本發明第一實施例相較習知功率元件的崩潰電壓示意圖。
圖3，為本發明第二實施例的結構示意圖。
圖4，為本發明第三實施例的結構示意圖。
圖5，為本發明第四實施例的結構示意圖。
圖6，為本發明第五實施例的結構示意圖。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：
請參閱『圖1』所示，為本發明第一實施例的結構示意圖，如圖所示：本發明提供一種具終端結構的碳化矽功率元件，包含有一碳化矽基板10、一功率元件結構20以及一終端結構30。該碳化矽基板10包含有一基層12以及一位於該基層12上的漂移層11，該基層12與該漂移層11皆具有一第一導電性，在此實施例中，該第一導電性可為N型摻雜，該基層12具有大於該漂移層11的一電子濃度，但不以此為限制。該漂移層11進一步包含有一主動區域111以及一終端區域112，該終端區域112為環繞於該主動區域111周圍。
該功率元件結構20為設置於該主動區域111，該功率元件結構20可為蕭基二極體結構、金氧半場效電晶體結構等，例如在此實施例中，以該功率元件結構20為該蕭基二極體結構為例，該蕭基二極體結構包含一與該碳化矽基板10形成蕭基接觸的蕭基接面層21以及一設置於該蕭基接面層21上的金屬導電層22；而該終端結構30設置於該終端區域112， 並具有一異於該第一導電性的第二導電性，在此該第二導電性可為P型摻雜，該終端結構30包含有至少一第一摻雜環31以及至少一第二摻雜環32，該第一摻雜環31圍繞於該功率元件結構20外側而與該功率元件結構20相鄰，該第二摻雜環32則圍繞於該第一摻雜環31的外側，在此實施例中，該第一摻雜環31與該第二摻雜環32分別以5個以及7個為舉例，但不以此為限制，而可以依據元件面積與元件需要對抗崩潰電場能力之間的平衡進行調整，另外，該碳化矽功率元件還可包含至少一摻雜井34，該摻雜井34為設置於該功率元件結構20的下方，並且具有該第二導電性的摻雜。
在第一實施例之中，其特徵在於設置該第一摻雜環31具有一小於該第二摻雜環32的第一摻雜濃度以及一大於該第二摻雜環32的第一摻雜深度，在此，該第一摻雜濃度為介於1E17至1E19 cm-3 ，該第一摻雜深度為介於0.5至1.5um，該第二摻雜環32的一第二摻雜濃度為介於1E18至5E19 cm-3 ，一第二摻雜深度為介於0.3至1um，如此，令相較該第二摻雜環32靠近該功率元件結構20的該第一摻雜環31，其與該基層12之間相距一較接近的短距離D，當該碳化矽功率元件被施予一逆向偏壓時，該第一摻雜環31將有助於產生於該漂移層11內的一空乏曲線分佈平緩，降低電場的分佈，而提高該碳化矽功率元件對抗崩潰電壓的能力。例如請參閱『圖2』所示，為本發明第一實施例相較習知功率元件的崩潰電壓示意圖，本發明第一實施例與該習知功率元件的結構相較，差異在於第一實施例的終端結構30具有該第一摻雜環31，該習知功率元件的終端結構30為皆使用類似該第二摻雜環32的保護環，從『圖2』中 可得知，該習知功率元件的電性曲線X之崩潰電壓約為1070伏特，第一實施例的電性曲線Y之崩潰電壓約為1471伏特，第一實施例與該習知功率元件相較，崩潰電壓約提升400伏特。
請參閱『圖3』所示，為本發明第二實施例的結構示意圖，在第二實施例中，與第一實施例相較，其特徵在於該第一摻雜環31a具有一大於該第二摻雜環32的第一摻雜寬度，並且該終端結構30更包含至少一輔助環33，該輔助環33的一第三摻雜濃度為介於1E18至5E19 cm-3 之間，而設置的一位置與該第一摻雜環31a重疊，該輔助環33與該第一摻雜環31a相較，具有一較小的第三摻雜深度、一較大的第三摻雜濃度以及一較小的第三摻雜寬度，再者，該摻雜井34還包含一第一摻雜井341以及一位置與該第一摻雜井341重疊的第二摻雜井342，該第一摻雜井341相較該第二摻雜井342具有一較小的摻雜深度以及一較大的摻雜濃度。據此，第二實施例為藉由該輔助環33的設置，用以承受較少的電壓降，分擔較為均勻的電場，使該碳化矽功率元件可以有較高的崩潰電壓。
請參閱『圖4』所示，為本發明第三實施例的結構示意圖，在第三實施例中，與第二實施例相較，其特徵在於該第一摻雜環31b具有較該輔助環33小的該第一摻雜寬度，並且，該第一摻雜寬度亦小於該第二摻雜環32的一第二摻雜寬度。如此的設置，可以避免該第一摻雜環31b於進行較深層的高能量摻雜時，該第一摻雜環31b彼此之間產生觸碰的可能性，而避免因此造成崩潰電壓的均勻性不佳的情形發生。
請參閱『圖5』所示，為本發明第四實施例的結構示意圖，在第四實施例中，與第一實施例相較，其特徵在於除了該摻雜井34包含該第一摻 雜井341以及該第二摻雜井342，該終端結構30的該輔助環33的該第三摻雜寬度與該第一摻雜環31的該第一摻雜寬度相同，而同樣具有提高該碳化矽功率元件對抗崩潰電壓的能力。
請參閱『圖6』所示，為本發明第五實施例的結構示意圖，在第五實施例中，與第一實施例相較，其特徵在於該第一摻雜環31具有複數個，該第一摻雜環31之間相距至少一第一距離S1，該第二摻雜環32亦具有複數個，該第二摻雜環32之間相距至少一大於該第一距離S1的第二距離S2，相鄰的該第一摻雜環31與該第二摻雜環32之間，則相距一大於該第一距離S1且小於該第二距離S2的第三距離S3，並且，進一步的，於本實施例中，該第一距離S1與該第二距離S2還隨著遠離該功率元件結構20而逐漸增加，例如該第一距離S1可分別為1.5um、1.6um、1.7um、1.8um，該第三距離S3可為1.9um，該第二距離S2可為2.0um、2.1um、…、2.5um，據此，於該漂移層11內可形成較均勻之電場分佈，亦可提高該碳化矽功率元件的崩潰電壓。
綜上所述，由於本發明不需額外設置該緩衝層，藉由該第一摻雜環具有小於該第二摻雜環的該第一摻雜濃度以及大於該第二摻雜環的該第一摻雜深度，即可增加該終端結構對抗該崩潰電壓的能力，以提高該碳化矽功率元件的可靠度，並降低該碳化矽功率元件的製造成本，再者，本發明還設置該輔助環，並可藉由調整該輔助環與該第一摻雜環之間的該第一摻雜濃度與第三摻雜濃度、該第一摻雜寬度與該第三摻雜寬度以及該第一摻雜深度與該第三摻雜深度的搭配，增加該碳化矽功率元件的崩潰電壓，另外，本發明亦可利用該第一距離、該第二距 離以及該第三距離的變距離設計，均勻該漂移層內的電場分佈，以達到提升該碳化矽功率元件之崩潰電壓的效果，因此本發明極具進步性及符合申請發明專利的要件，爰依法提出申請，祈 鈞局早日賜准專利，實感德便。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
10‧‧‧碳化矽基板
11‧‧‧漂移層
111‧‧‧主動區域
112‧‧‧終端區域
12‧‧‧基層
20‧‧‧功率元件結構
21‧‧‧蕭基接面層
22‧‧‧金屬導電層
30‧‧‧終端結構
31‧‧‧第一摻雜環
32‧‧‧第二摻雜環
34‧‧‧摻雜井
D‧‧‧短距離

Claims (12)

  1. 一種具終端結構的碳化矽功率元件，包含有：一具有一漂移層的碳化矽基板，該漂移層具有一第一導電性並包含有一主動區域以及一環繞該主動區域的終端區域；一設置於該主動區域的功率元件結構；以及一設置於該終端區域並具有一異於該第一導電性的第二導電性的終端結構，該終端結構包含有至少一圍繞於該功率元件結構外側並與該功率元件結構相鄰的第一摻雜環、至少一圍繞該第一摻雜環的第二摻雜環以及至少一與該第一摻雜環重疊的輔助環；其中，該第一摻雜環具有一小於該第二摻雜環的第一摻雜濃度以及一大於該第二摻雜環的第一摻雜深度，該輔助環具有一小於該第一摻雜深度的第三摻雜深度以及一大於該第一摻雜濃度的第三摻雜濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中更包含至少一設置於該功率元件結構下方的摻雜井，該摻雜井具有該第二導電性。
  3. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該摻雜井包含一第一摻雜井以及一位置與該第一摻雜井重疊的第二摻雜井，該第一摻雜井相較該第二摻雜井具有一較小的摻雜深度以及一較大的摻雜濃度。
  4. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該第一摻雜環具有一小於該第二摻雜環的第一摻雜寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該 輔助環與該第一摻雜環相較，具有一較大的第三摻雜寬度。
  6. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該第一摻雜環具有一大於該第二摻雜環的第一摻雜寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該輔助環與該第一摻雜環相較，具有一較小的第三摻雜寬度。
  8. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該輔助環與該第一摻雜環相較，具有一相同的第三摻雜寬度。
  9. 如申請專利範圍第1項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該第一摻雜環具有複數個，該第一摻雜環之間相距至少一第一距離，該第二摻雜環具有複數個，該第二摻雜環之間相距至少一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
  10. 如申請專利範圍第9項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中相鄰的該第一摻雜環與該第二摻雜環之間相距一第三距離，該第三距離大於該第一距離並小於該第二距離。
  11. 如申請專利範圍第9項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該第一距離具有複數個，且該第一距離隨著遠離該功率元件結構而依序漸增。
  12. 如申請專利範圍第9項的具終端結構的碳化矽功率元件，其中該第二距離具有複數個，且該第二距離隨著遠離該功率元件結構而依序漸增。
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