TWM449354U - 功率半導體元件及其邊緣終端結構 - Google Patents

功率半導體元件及其邊緣終端結構 Download PDF

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Description

功率半導體元件及其邊緣終端結構
本創作是有關於一種功率半導體技術，且特別是有關於一種能提升崩潰電壓(breakdown voltage)的溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構。
功率半導體元件一般用於開關模式電源或其他高速電源開關的裝置中。通常功率半導體元件的需求除了是在主動區能通過大電流，還要具備能在終端區承受較大的崩潰電壓。
目前已經幾種功率半導體元件被廣發研究與使用，如蕭特基阻障二極體。然而一般平板型蕭特基阻障二極體因為有崩潰電壓不高的問題，所以近來發展出溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體(trench MOS barrier Schottky diode，TMBS diode)，如圖1。
在圖1中，溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體10主要是在N+基底100上先形成N-磊晶層102，再於N-磊晶層102中形成多個溝槽式閘極104，且於溝槽式閘極104和N-磊晶層102之間設置閘極氧化層106。然後在N-磊晶層102表面與溝槽式閘極104表面沉積蕭特基阻障金屬層108與陽極金屬110。
不過圖1僅顯示出主動區的結構，至於如何設計出適合溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體10的邊緣終端結構，已 是目前各界研究重點之一，如美國專利US6,309,929和美國專利US6,396,090都有類似構想。
除了溝槽式金氧半蕭特基阻障二極之外，如溝槽式功率金氧半場效電晶體(trench Power MOSFET)、溝槽式絕緣閘雙極性電晶體(trench insulated gate bipolar transistor，trench IGBT)等功率半導體元件都面臨類似的問題。
本創作提供一種溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，能提升崩潰電壓。
本創作另提供一種溝槽式功率半導體元件，具有能提升崩潰電壓的邊緣終端結構。
本創作提出一種溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，包括一基板、一第一電極、一第二電極、一第一場板與一第二場板，其中第一與第二電極分別位於基板的表面和背面。所述溝槽式功率半導體元件包括一主動區與一邊緣終端區，且在主動區旁的邊緣終端區的基板的表面具有一溝槽。第一場板設置於溝槽的側壁並往溝槽的尾部延伸，且第一場板至少包括一L形電板、位於L形電板底下的一閘極絕緣層以及L形電板上的上述第一電極。第二場板則至少包括一絕緣層與絕緣層上方的上述第一電極，其中絕緣層覆蓋溝槽的尾部並至少延伸覆蓋L形電板的尾端。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件 是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體(TMBS Diode)時，第一電極直接接觸L形電板的表面，且基板包括一第一導電型基底與形成於其上的第一導電型磊晶層。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體時，第二場板底下的絕緣層的厚度大於第一場板底下的閘極絕緣層之厚度。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體時，當閘極絕緣層延伸至第二場板之絕緣層底下時，第二場板的絕緣層和閘極絕緣層的厚度大於第一場板底下的閘極絕緣層之厚度。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體時，第二電極為陰極，且第一電極包括一層蕭特基阻障金屬層及其上的一陽極金屬層。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體(Trench IGBT)時，絕緣層完全覆蓋L形電板，且上述基板包括一第二導電型基底、形成於第二導電型基底上的一第一導電型緩衝層(buffer layer)與形成於其上的第一導電型磊晶層。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體時，第一電極為射極，且第二電極為集極。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體時，還有一導電插塞穿過絕 緣層電性連接第一電極與L形電板。另外，於絕緣層表面以及於導電插塞、第一電極、第一場板與絕緣層之間還有一阻障層(barrier layer)。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式功率金氧半場效電晶體(Trench Power MOSFET)時，上述絕緣層完全覆蓋L形電板，且基板包括一第一導電型基底與形成於其上的第一導電型磊晶層。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式功率金氧半場效電晶體時，上述第一電極為源極，且第二電極為汲極。
在本創作之一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式功率金氧半場效電晶體時，還有一導電插塞穿過絕緣層電性連接第一電極與L形電板。另外，於絕緣層表面以及於導電插塞、第一電極、第一場板與絕緣層之間還有一阻障層。
本創作另提出一種溝槽式功率半導體元件，包括上述溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，且在上述主動區的基板表面內包括多個溝槽式閘極，而第一電極包括位於主動區的基板表面。
在本創作之另一實施例中，上述溝槽式功率半導體元件是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體或是溝槽式功率金氧半場效電晶體時，除電性連接第一電極與L形電板的導電插塞外，還包括穿過絕緣層電性連接第一電極與主動區內的基板的另一導電插塞。另外，於絕緣層表面以及於兩導電插 塞、第一電極、第一場板與絕緣層之間還有一阻障層。
基於上述，本創作之溝槽式功率半導體元件的邊緣終端結構，因為採用第一場板的設計再搭配覆蓋於第一場板並往外延伸的第二場板(如金屬電極)，所以能提升元件之崩潰電壓。
為讓本創作之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本創作所提出的是一種溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，可應用於如溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體(TMBS Diode)、溝槽式絕緣閘雙極性電晶體(Trench IGBT)或溝槽式功率金氧半場效電晶體(Trench Power MOSFET)等的溝槽式功率半導體元件。以下列舉幾個實施例來說明本創作之邊緣終端結構。
圖2A是依照本創作之第一實施例之一種溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體(TMBS Diode)的剖面示意圖。在圖2A中顯示包含一主動區20a與一邊緣終端區20b的溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體20。
請參照圖2A，溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體20基本包括一基板200、一第一電極202(即陽極)與一第二電極204(即陰極)。第一電極202位於基板200表面200a，第二電極204則配置在基板200背面200b。在主動區20a旁的邊緣終端區20b的基板200表面200a具有一溝槽206。溝 槽206內設有第一場板208和第二場板210。第一場板208位於溝槽206的側壁206a並往其尾部206b延伸。第一電極202則包括一層蕭特基阻障金屬層212與其上的陽極金屬層214，且第一電極202從主動區20a延伸至溝槽206的尾部206b並覆蓋第一場板208，因此第一場板208的長度小於邊緣終端區20b內的第一電極202的長度；舉例來說，第一場板208的長度約在5μm以上，如5μm~20μm左右，但是本創作並不限於此。上述陽極金屬層220的材料譬如AlSiCu之類的金屬材料。
在圖2A中，第一場板208包括一個L形電板216、L形電板216底下的閘極絕緣層218與L形電板216上方的陽極金屬層214，其中L形電板216的頂端216a高於溝槽206的頂部206c。L形電板216的材料如多晶矽。至於第二場板210至少包括一層絕緣層220與絕緣層220上方的陽極金屬層214，絕緣層220是覆蓋溝槽206的尾部206b並延伸覆蓋L形電板216的尾端216b，其中絕緣層220的材料可以是用於內層介電層(ILD)的材料。透過終端區接觸窗20c，使得第二場板210與第一場板208電性相連。因此，第一場板208的長度略大於終端區接觸窗20c的長度，第二場板210的長度則約在5μm以上，如5μm~20μm左右，但是本創作並不限於此。藉此，溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體20的空乏區(depletion region)會隨第一場板208與第二場板212往元件邊緣擴大，進一步提升崩潰電壓。
請再次參照圖2A，因為第一場板208中的閘極絕緣層218延伸至第二場板210之絕緣層220底下，所以第一場板208中的閘極絕緣層218厚度t1明顯小於第二場板210中的閘極絕緣層218加上絕緣層220的總厚度t2。不過，如果第一場板208中的閘極絕緣層218沒有延伸至第二場板210之絕緣層220底下，則閘極絕緣層218厚度t1也應小於絕緣層220的厚度t3。藉此，由於第二場板210較厚之絕緣層220可比較薄的閘極絕緣層218承受較高的電位差，故可進一步提升邊緣終端區20b之崩潰電壓。
請繼續參照圖2A，基板200包括一第一導電型基底222(如N+基底)與形成於其上的第一導電型磊晶層224(如N-磊晶)。第一電極202直接接觸主動區20a內的基板200a表面，且主動區20a內有至少一溝槽式閘極226，其中溝槽式閘極226譬如是多晶矽或金屬所構成的結構，當然本創作並不限於此。
圖2B是圖2A中的溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體20在陽極電壓接地與陰極電壓大於0V的情形下(即逆向偏壓)之空乏區位置圖。由於第二場板210底下的絕緣層(與閘極絕緣層)之厚度較大，較厚之絕緣層(與閘極絕緣層)可承受較高的電位差，所以第二場板210能使基板200內的空乏區230往元件邊緣擴大，這點從空乏區230內以及第一場板208與第二場板210底下的電位線也能得到證明，因此元件的崩潰電壓得以提升。
圖3是依照本創作之第二實施例之一種溝槽式絕緣閘 雙極性電晶體(Trench IGBT)的剖面示意圖。在圖3中顯示包含一主動區30a與一邊緣終端區30b的溝槽式絕緣閘雙極性電晶體30。
請參照圖3，溝槽式絕緣閘雙極性電晶體30基本包括一基板300、位於基板300表面300a上的第一電極302(即射極)與位於基板300背面300b的第二電極304(即集極)。第一電極302位於基板300表面300a，第二電極304則配置在基板300背面300b，其中第二電極304的材料譬如AlSiCu之類的金屬材料。在主動區30a旁的邊緣終端區30b的基板300表面300a具有一溝槽306。溝槽306內設有第一場板308和第二場板310。第一電極202從主動區30a延伸至溝槽306並覆蓋第一場板308，因此第一場板308的長度小於邊緣終端區30b內的第一電極302的長度。第一場板308包括一個L形電板312、L形電板312底下的閘極絕緣層314與L形電板312上方藉由至少一第一導電插塞316與其電性連接的第一電極302，其中L形電板312的材料如多晶矽，且L形電板312的形狀與位置與第一實施例的L形電板一樣；第一導電插塞316例如鎢插塞。
請繼續參照圖3，第二場板310至少包括一層絕緣層318與絕緣層318上方的第一電極302，絕緣層318是覆蓋覆蓋溝槽306的尾部並完全覆蓋L形電板312，其中絕緣層318的材料可用內層介電層(ILD)的材料。透過第一導電插塞316就能使得第二場板310與第一場板308電性相連。另外，主動區30a內的基板300a表面內則有至少一溝 槽式閘極320，其中溝槽式閘極320譬如是多晶矽或金屬所構成的結構，當然本創作並不限於此。至於絕緣層318完全覆蓋主動區30a內的溝槽式閘極320。第一電極302可藉由至少一第二導電插塞322穿過絕緣層318而與主動區30a內的基板300電性連接。第二導電插塞322例如鎢插塞。基板300則包括一第二導電型基底324(如P+基底)、形成於第二導電型基底324上的一第一導電型緩衝層326(如N+ buffer layer)與形成於其上的第一導電型磊晶層328(如N-磊晶)。另外，閘極絕緣層314還可延伸至第二場板310之絕緣層318底下。這層閘極絕緣層314同樣存在溝槽式閘極320與第一導電型磊晶層328之間。而在絕緣層318表面以及位在兩導電插塞316與322、第一電極302、L形電板312和絕緣層318之間還有一阻障層(barrier layer)330，其材料如Ti/TiN。
圖4是依照本創作之第三實施例之一種溝槽式功率金氧半場效電晶體的剖面示意圖。在圖4中顯示包含一主動區40a與一邊緣終端區40b的溝槽式功率金氧半場效電晶體40，並且使用與圖3相同的元件符號來代表相同或類似的構件。
請參照圖4，溝槽式功率金氧半場效電晶體40包括基板400、位於基板400表面400a上的第一電極402(即源極)與位於基板400背面400b的第二電極404(即汲極)。在本實施例中，基板400包括一第一導電型基底406(如N+基底)與形成於其上的第一導電型磊晶層408(如N-磊晶)。至 於第三實施例之其它構件則可參照第二實施例，於此不再贅述。
綜上所述，本創作藉由結構上的設計，使邊緣終端區的電板長度與厚度均增加，因此能使空乏區擴大，進一步提升崩潰電壓。
雖然本創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體
20a、30a、40a‧‧‧主動區
20b、30b、40b‧‧‧邊緣終端區
30‧‧‧溝槽式絕緣閘雙極性電晶體
40‧‧‧溝槽式功率金氧半場效電晶體
100‧‧‧N+基底
102‧‧‧N-磊晶層
104、226、320‧‧‧溝槽式閘極
106‧‧‧閘極氧化層
108、212‧‧‧蕭特基阻障金屬層
110‧‧‧陽極金屬
200、300、400‧‧‧基板
200a、300a、400a‧‧‧表面
200b、300b、400b‧‧‧背面
202、302、402‧‧‧第一電極
204、304、404‧‧‧第二電極
206、306‧‧‧溝槽
206a‧‧‧側壁
206b‧‧‧尾部
206c‧‧‧頂部
208、308‧‧‧第一場板
210、310‧‧‧第二場板
214‧‧‧陽極金屬層
216、312‧‧‧L形電板
216a‧‧‧頂端
216b‧‧‧尾端
218、314‧‧‧閘極絕緣層
220、318‧‧‧絕緣層
222、406‧‧‧第一導電型基底
224、328、408‧‧‧第一導電型磊晶層
230‧‧‧空乏區
316、322‧‧‧導電插塞
324‧‧‧第二導電型基底
326‧‧‧第一導電型緩衝層
330‧‧‧阻障層
t1、t2、t3‧‧‧厚度
圖1是習知之一種溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體(TMBS Diode)的示意圖。
圖2A是依照本創作之第一實施例之一種溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體的剖面示意圖。
圖2B是圖2A的溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體之空乏區位置圖。
圖3是依照本創作之第二實施例之一種溝槽式絕緣閘雙極性電晶體(Trench IGBT)的剖面示意圖。
圖4是依照本創作之第三實施例之一種溝槽式功率金氧半場效電晶體(Trench Power MOSFET)的剖面示意圖。
20‧‧‧溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體
20a‧‧‧主動區
20b‧‧‧邊緣終端區
200‧‧‧基板
200a‧‧‧表面
200b‧‧‧背面
202‧‧‧第一電極
204‧‧‧第二電極
206‧‧‧溝槽
206a‧‧‧側壁
206b‧‧‧尾部
206c‧‧‧頂部
208‧‧‧第一場板
210‧‧‧第二場板
214‧‧‧陽極金屬層
216‧‧‧L形電板
216a‧‧‧頂端
216b‧‧‧尾端
218‧‧‧閘極絕緣層
220‧‧‧絕緣層
222‧‧‧第一導電型基底
224‧‧‧第一導電型磊晶層
226‧‧‧溝槽式閘極
t1、t2、t3‧‧‧厚度

Claims (26)

  1. 一種溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，所述溝槽式功率半導體元件包括一主動區與一邊緣終端區，而所述邊緣終端結構包括：一基板，在該主動區旁的該邊緣終端區的該基板的表面具有一溝槽；一第一電極，位於該基板的該表面；一第二電極，配置在該基板的背面；一第一場板，設置於該溝槽的側壁並往該溝槽的尾部延伸，且該第一場板至少包括一L形電板、位於該L形電板底下的一閘極絕緣層以及該L形電板上的該第一電極；以及一第二場板，至少包括一絕緣層與該絕緣層上方的該第一電極，其中該絕緣層覆蓋該溝槽的該尾部並至少延伸覆蓋該L形電板的尾端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中所述溝槽式功率半導體是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體時，該第一電極直接接觸該L形電板的表面，且該基板包括：一第一導電型基底；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型基底上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中該第二電極為陰極，且該第一電極包括： 一蕭特基阻障金屬層；以及一陽極金屬層，設置在該蕭特基阻障金屬層上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中該第二場板的該絕緣層的厚度大於該第一場板的該閘極絕緣層之厚度。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中該閘極絕緣層更包括延伸至該第二場板之該絕緣層底下，且該第二場板的該絕緣層加上該閘極絕緣層的厚度大於該第一場板的該閘極絕緣層之厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中所述溝槽式功率半導體是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體時，該絕緣層完全覆蓋該L形電板，且該基板包括：一第二導電型基底；一第一導電型緩衝層，形成於該第二導電型基底上；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型緩衝層上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中該第一電極為射極，且該第二電極為集極。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，更包括一導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該L形電板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，更包括一阻障層，位於該絕緣層表面以及位於該導電插塞、該第一電極、該L形電板與該絕緣層之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中所述溝槽式功率半導體是溝槽式功率金氧半場效電晶體時，該絕緣層完全覆蓋該L形電板，且該基板包括：一第一導電型基底；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型基底上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，其中該第一電極為源極，且該第二電極為汲極。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，更包括一導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該L形電板。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之溝槽式功率半導體元件之邊緣終端結構，更包括一阻障層，位於該絕緣層表面以及位於該導電插塞、該第一電極、該L形電板與該絕緣層之間。
  14. 一種溝槽式功率半導體元件，包括一主動區與一邊緣終端區，所述溝槽式功率半導體元件包括：一基板，在該主動區旁的該邊緣終端區的該基板的表面具有一溝槽； 多個溝槽式閘極，位在該主動區的該基板的該表面內；一第一電極，位於該主動區與該邊緣終端區之該基板的該表面並覆蓋該些溝槽式閘極；一第二電極，配置在該基板的背面；一第一場板，設置於該溝槽的側壁並往該溝槽的尾部延伸，且該第一場板至少包括一L形電板、位於該L形電板底下的一閘極絕緣層以及該L形電板上的該第一電極；以及一第二場板，至少包括一絕緣層與該絕緣層上方的該第一電極，其中該絕緣層覆蓋該溝槽的該尾部並至少延伸覆蓋該L形電板的尾端。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之溝槽式功率半導體元件，其中所述溝槽式功率半導體元件是溝槽式金氧半蕭特基阻障二極體時，該第一電極直接接觸該L形電板的表面，且該基板包括：一第一導電型基底；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型基底上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之溝槽式功率半導體元件，其中該第二電極為陰極，且該第一電極包括：一蕭特基阻障金屬層；以及一陽極金屬層，設置在該蕭特基阻障金屬層上。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之溝槽式功率半導體元件，其中該第二場板的該絕緣層的厚度大於該第一場板的該閘極絕緣層之厚度。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之溝槽式功率半導體元件，其中該閘極絕緣層更包括延伸至該第二場板之該絕緣層底下，且該第二場板的該絕緣層加上該閘極絕緣層的厚度大於該第一場板的該閘極絕緣層之厚度。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之溝槽式功率半導體元件，其中所述溝槽式功率半導體元件是溝槽式絕緣閘雙極性電晶體時，該絕緣層完全覆蓋該L形電板，且該基板包括：一第二導電型基底；一第一導電型緩衝層，形成於該第二導電型基底上；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型緩衝層上。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之溝槽式功率半導體元件，其中該第一電極為射極，且該第二電極為集極。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之溝槽式功率半導體元件，更包括：一第一導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該L形電板；以及一第二導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該主動區內的該基板。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之溝槽式功率半導體元件，更包括一阻障層，位於該絕緣層表面以及位於該第一與該第二導電插塞、該第一電極、該L形電板與該絕緣層之間。
  23. 如申請專利範圍第14項所述之溝槽式功率半導體元件，其中所述溝槽式功率半導體元件是溝槽式功率金氧半場效電晶體時，該絕緣層完全覆蓋該L形電板，且該基板包括：一第一導電型基底；以及一第一導電型磊晶層，形成於該第一導電型基底上。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之溝槽式功率半導體元件，其中該第一電極為源極，且該第二電極為汲極。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之溝槽式功率半導體元件，更包括：一第一導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該L形電板；以及一第二導電插塞，穿過該絕緣層電性連接該第一電極與該主動區內的該基板。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之溝槽式功率半導體元件，更包括一阻障層，位於該絕緣層表面以及位於該第一與該第二導電插塞、該第一電極、該L形電板與該絕緣層之間。
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