本發(fā)明是關(guān)于一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，尤指一種具有反向摻雜(counter-doped)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前商用碳化硅的產(chǎn)品，如二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)，結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFETs)的和雙極晶體管(BJTs)等，其邊緣保護(hù)區(qū)(Edge Termination)是關(guān)鍵的功能，是用以確保高電壓的操作。

請參考圖1～圖5已知技術(shù)中，保護(hù)環(huán)(Guard Ring)和接面終極延伸(Junction Termination Extension，以下簡稱JTE)是平面邊緣端點(diǎn)的兩個重要技術(shù)。圖1為單一區(qū)的P型JTE、圖2為單一區(qū)的P型JTE搭配外部P型保護(hù)環(huán)，圖3為雙區(qū)的P型JTE，圖4為雙區(qū)的P型JTE搭配P型內(nèi)部保護(hù)環(huán)與外部保護(hù)環(huán)，圖5為單一區(qū)的P型JTE搭配P型內(nèi)部保護(hù)環(huán)與外部保護(hù)環(huán)。

已知技術(shù)提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括N型碳化硅層11，其上具有一個P型摻雜區(qū)12以及P型JTE區(qū)13。

如圖1與圖2所示，其結(jié)構(gòu)為單一的P型JTE，且圖2的結(jié)構(gòu)為單一區(qū)的P型JTE搭配外部保護(hù)環(huán)14；圖3與圖4為雙區(qū)的P型JTE，且圖4的結(jié)構(gòu)為雙區(qū)的P型JTE搭配外部保護(hù)環(huán)14；如圖5所示，已知技術(shù)是利用內(nèi)部P型保護(hù)環(huán)15提供相同的電荷，以使P型JTE的電荷濃度增加，達(dá)到調(diào)整電荷的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一，是提供一種利用反向摻雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的之一，是提供一種具有反向摻雜區(qū)設(shè)置于JTE區(qū)的內(nèi)部。

本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含：一基板，具有一第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；一外延層，設(shè)置于基板上，并具有第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；一主動區(qū)，為所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作區(qū)域；以及一邊緣保護(hù)區(qū)，用以保護(hù)所述主動區(qū)，且所述邊緣保護(hù)區(qū)包含：

一第一JTE區(qū)，設(shè)置于外延層中，第一JTE區(qū)為一第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；一第二JTE區(qū)，設(shè)置于外延層中并接觸于第一JTE區(qū)，第二JTE區(qū)為第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；至少一第一反向摻雜區(qū)，為所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料且設(shè)置于所述第二JTE區(qū)內(nèi)；其中，所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料與所述第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)類型相異；以及一摻雜區(qū)，設(shè)置于磊晶層中并接觸第一JTE區(qū)，并具有第二傳導(dǎo)類型之半導(dǎo)體材料；其中，第一JTE區(qū)中第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料的濃度小于第二JTE區(qū)。

本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含：

一基板，具有一第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；

一外延層，設(shè)置于所述基板上，并具有所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；

一主動區(qū)，為所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作的區(qū)域；以及

一邊緣保護(hù)區(qū)，用以保護(hù)所述主動區(qū)，且所述邊緣保護(hù)區(qū)包含：

一JTE區(qū)，設(shè)置于所述外延層中，所述JTE區(qū)為一第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；以及

至少一反向摻雜區(qū)，為所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料且設(shè)置于JTE區(qū)內(nèi)；所述反向摻雜區(qū)于所述JTE區(qū)具有一預(yù)設(shè)深度，且部分所述反向摻雜區(qū)超出所述JTE區(qū)的邊緣并接觸所述外延層；

其中，所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料與所述第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)類型相異；所述反向摻雜區(qū)中所述第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料濃度沿一方向遞增。

本發(fā)明提供一種利用反向摻雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其通過利用反向摻雜的方法降低原本JTE區(qū)的原有的半導(dǎo)體材料濃度，以減化工藝并依然可維持最大擊穿電壓值，且降低擊穿電壓對表面電荷的敏感度。

附圖說明

圖1～圖5顯示背景技術(shù)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖6A顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)于一實(shí)施例剖面示意圖。

圖6B顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)于一實(shí)施例剖面示意圖。

圖7是背景技術(shù)、本發(fā)明的JTE區(qū)濃度與擊穿電壓的比較圖。

圖8是背景技術(shù)、本發(fā)明的表面電荷(Surface Charge)、與擊穿電壓的比較圖。

圖9是比較背景技術(shù)與本發(fā)明的耐電壓程度的比較圖。

圖10顯示本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

附圖標(biāo)號

11 N型碳化硅層11

12 P型摻雜區(qū)

13 P型JTE區(qū)

14 外部保護(hù)環(huán)

15 內(nèi)部保護(hù)環(huán)

600a、600b、1000 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

60、160 基板

61、161 外延層

62～63、65、162～163、165 JTE區(qū)

64、164 摻雜區(qū)

CD1～CD4 反向摻雜區(qū)

D1 方向

O 介電層

T1、T2 電極

主動區(qū) A

邊緣保護(hù)區(qū) E

具體實(shí)施方式

請同時(shí)參閱圖6A顯示本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)于一實(shí)施例剖面示意圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600a包含：基板60、外延層61、第一JTE區(qū)62、第二JTE區(qū)63、摻雜區(qū)64、反向摻雜區(qū)CD1～CD4。

在此請注意，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600a的第一JTE區(qū)62、第二JTE區(qū)63以及反向摻雜區(qū)CD1～CD4可視為邊緣保護(hù)區(qū)(Termination)E，而摻雜區(qū)64與電極T2可視為主動區(qū)(Active Area)A，邊緣保護(hù)區(qū)E是用以保護(hù)主動區(qū)A于高電壓時(shí)的操作，主動區(qū)A是主要為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600工作區(qū)域。

然而，本實(shí)施例主動區(qū)A以PIN二極管結(jié)構(gòu)為例，其主動區(qū)A亦可為肖特基二極管，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)，結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFETs)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBTs)和雙極晶體管(BJTs)等結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)。

又基板60為第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料，在本實(shí)施例中，基板60為N型碳化硅(4H-SiC N+)基板所實(shí)現(xiàn)。外延層61設(shè)置于基板60上，并具有第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料，在本實(shí)施例中，外延層61為一N型外延層(N-Epi-layer)所實(shí)現(xiàn)，但本發(fā)明不應(yīng)以此為限。

第一JTE區(qū)62設(shè)置于外延層61中，第一JTE區(qū)62為一第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料；相同地，第二JTE區(qū)63亦設(shè)置于外延層61中并接觸于第一JTE區(qū)62，第二JTE區(qū)63為第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料。摻雜區(qū)64設(shè)置于外延層6中并接觸第一JTE區(qū)62，摻雜區(qū)64具有第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料。

在本發(fā)明中第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料與第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)類型相異，換言之，在本實(shí)施例中的外延層61為N型外延層時(shí)，則第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63為P型JTE區(qū)(P-JTE)。

再者，本發(fā)明是通過第二JTE區(qū)63中多個反向摻雜(Counter-doped)區(qū)進(jìn)行濃度控制，在本實(shí)施例中具有四個反向摻雜區(qū)CD1～CD4，但本發(fā)明不應(yīng)以此為限。

在第二JTE區(qū)63包含四個反向摻雜區(qū)CD1～CD4，且反向摻雜區(qū)CD1～CD4為第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料，故在本實(shí)施例中為N型半導(dǎo)體材料，且反向摻雜區(qū)CD1～CD4的N型半導(dǎo)體材料其濃度可依需求進(jìn)行調(diào)整；換言之，其第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63中第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料濃度會依據(jù)反向摻雜區(qū)CD1～CD4的N型半導(dǎo)體材料的寬度或濃度調(diào)整。

需注意，圖6A中第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63之間是繪示虛線區(qū)隔，其僅止表示第二JTE區(qū)63在設(shè)置反向摻雜區(qū)CD1～CD4后，其第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63的第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料濃度具有區(qū)域性的差異，意即在反向摻雜區(qū)CD1～CD4所在的第二JTE區(qū)63的第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料濃度會降低，故此時(shí)第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63中的第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料濃度不會相同。

請注意，在本實(shí)施例中第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63的P型半導(dǎo)體材料的濃度，因反向摻雜區(qū)CD1～CD4的N型半導(dǎo)體材料濃度沿方向D1遞增，如此一來，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600可通過第二JTE區(qū)63設(shè)置反向摻雜區(qū)CD1～CD4，使原有第二JTE區(qū)63的P型半導(dǎo)體材料其濃度，因摻雜了N型半導(dǎo)體材料而沿方向D1呈線性或非線性遞減，且方向D1是遠(yuǎn)離第一JTE區(qū)62；故第一JTE區(qū)62與第二JTE區(qū)63的P型半導(dǎo)體材料濃度，因反向摻雜區(qū)CD1～CD4摻雜N型半導(dǎo)體材料，使第一JTE區(qū) 62與第二JTE區(qū)63的P型半導(dǎo)體材料濃度具有多區(qū)域的效果。換言之，此時(shí)第一JTE區(qū)62中第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料的濃度高于第二JTE區(qū)63。

在本實(shí)施例中，反向摻雜區(qū)CD1～CD4的濃度介于1×1011/cm²～1×1014/cm²，且第一反向摻雜區(qū)于第二JTE區(qū)63的深度為0.1um～3um。

在另一實(shí)施例中，反向摻雜區(qū)CD1～CD4的N型半導(dǎo)體材料寬度及濃度的大小順序?yàn)镃D4>CD3>CD2>CD1，換言之，位于第二JTE區(qū)63邊緣的反向摻雜區(qū)CD4的N型半導(dǎo)體材料寬度或濃度大于其他反向摻雜區(qū)CD1～CD3。

在另一實(shí)施例中，鄰近的反向摻雜區(qū)具有80％的濃度差異，意即反向摻雜區(qū)CD1的N型半導(dǎo)體材料濃度為反向摻雜區(qū)CD2的N型半導(dǎo)體材料濃度的80％。

另外，結(jié)構(gòu)600a的反向摻雜區(qū)CD4的部分區(qū)域設(shè)置于第二JTE區(qū)63之外，且半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600a更包含：電極T1、T2、介電層O?；?0設(shè)置于電極T1上，電極T2設(shè)置于部分摻雜區(qū)64；介電層O接觸電極T2并設(shè)置于部分摻雜區(qū)64、第一JTE區(qū)62、第二JTE區(qū)63以及外延層61上。在本實(shí)施例中，電極T1為陰極(Cathode)所實(shí)現(xiàn)，電極T2為陽極(Anode)所實(shí)現(xiàn)。

接著請同時(shí)參考圖6B，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600b與600a差異在于，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600b的邊緣保護(hù)區(qū)E包含第三JTE區(qū)65。

基板60設(shè)置于電極T1上，電極T2設(shè)置于部分摻雜區(qū)64；介電層O接觸電極T2并設(shè)置于部分摻雜區(qū)64、第一JTE區(qū)62、第二JTE區(qū)63、第三JTE區(qū)65以及外延層61上。

第三JTE區(qū)65設(shè)置于外延層61中，第三JTE區(qū)65與第一JTE區(qū)62及第二JTE區(qū)63相同，在本實(shí)施例都具有P型半導(dǎo)體材料，且第三JTE區(qū)65與第二JTE區(qū)63相鄰。在一實(shí)施例中，其第一JTE區(qū)62、第二JTE區(qū)63以及第三JTE區(qū)65可在同一工藝中制造。

請注意，本實(shí)施例中具有兩個第三JTE區(qū)65，是不設(shè)置于第一JTE區(qū)62及第二JTE區(qū)63中，且第三JTE區(qū)65可視為設(shè)置于第一JTE區(qū)62及第二JTE區(qū)63的外部保護(hù)環(huán)(Outer Guard Ring)，主要減少第三JTE區(qū)65所在位置的電場，而反向摻雜區(qū)CD1～CD4為設(shè)置于第一JTE區(qū)62及第二JTE區(qū)63的內(nèi)部保護(hù)環(huán)(Inner Guard Ring)。在兩個第三JTE區(qū)65之間具有一個分隔區(qū)域，故兩個第三JTE區(qū)65是不連續(xù)的區(qū)域。

再者，反向摻雜區(qū)CD1～CD4之間的距離為0.1um～10um，且反向摻雜區(qū)CD4與相鄰的第三JTE區(qū)65的距離為0.1um～10um，相鄰的第三JTE區(qū)65之間距離為0.1um～10um；由于反向摻雜區(qū)CD4的部分區(qū)域設(shè)置于第二JTE區(qū)63之外，故反向摻雜區(qū)CD4可超出第二JTE區(qū)63的寬度為0.1um～10um。

請注意，因部分反向摻雜區(qū)CD4超出第二JTE區(qū)63，故與已知技術(shù)相比，本實(shí)施例的擊穿電壓會高于已知技術(shù)。

本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)600a與600b的特點(diǎn)是在p型的第二JTE區(qū)62加入反向摻雜區(qū)CD1～CD4，以降低第二JTE區(qū)的P型半導(dǎo)體材料的濃度。除此之外，反向摻雜區(qū)CD1～CD4濃度可通過區(qū)域的位置和寬度進(jìn)行調(diào)整，使第一JTE區(qū)62及第二JTE區(qū)63達(dá)到多區(qū)域P型JTE區(qū)的效果。

接著請參考圖7，圖7是背景技術(shù)、本發(fā)明的JTE區(qū)濃度與擊穿電壓的比較圖。其中，SZ-JTE是表示單一區(qū)的P型JTE結(jié)構(gòu)(對比圖1結(jié)構(gòu))、SZ-JTE為單一區(qū)P型JTE搭配外部P型保護(hù)環(huán)(對比圖2結(jié)構(gòu))、TZ-JTE為雙區(qū)的P型JTE(對比圖3結(jié)構(gòu))、SM-JTE為雙區(qū)的P型JTE搭配P型內(nèi)部保護(hù)環(huán)與外部保護(hù)環(huán)(對比圖4結(jié)構(gòu))、GA-JTE+OR為單一區(qū)的P型JTE搭配P型內(nèi)部保護(hù)環(huán)與外部保護(hù)環(huán)(對比圖5結(jié)構(gòu))以及CD-JTE+OR為本發(fā)明的600b的結(jié)構(gòu)，橫軸為JTE區(qū)濃度變化，縱軸為可達(dá)到的最大擊穿電壓。

如圖7所示，CD-JTE+OR結(jié)構(gòu)具有寬廣的JTE濃度變化區(qū)域，因本發(fā)明具有多區(qū)段JTE區(qū)并搭配外環(huán)結(jié)構(gòu)組合，使JTE濃度范圍延長，即JTE區(qū)濃度在9×1012cm^-2至20×1012cm^-2時(shí)，其擊穿電壓均能維持于3500V以上；相對應(yīng)地，以SZ-JTE結(jié)構(gòu)為例，SZ-JTE結(jié)構(gòu)則顯示了一個狹窄的濃度與擊穿電壓的區(qū)域，即JTE區(qū)濃度超過9×1012cm^-2后，其擊穿電壓為迅速下降。

接著請參考圖8，圖8是背景技術(shù)、本發(fā)明的表面電荷(Surface Charge)、與擊穿電壓的比較圖。由于一般半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在工藝中是存在正或負(fù)的表面電荷，當(dāng)表面電荷帶負(fù)電荷時(shí)，由圖可知均不影響已知技術(shù)與本發(fā)明的擊穿電壓；但若表電荷為正電荷時(shí)，已知技術(shù)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的擊穿電壓即快速降低，但本發(fā)明CD-JTE+OR半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于可降低對表面電荷的敏感度，故本實(shí)例的擊穿電壓并不受影響仍維持在一范圍中。

接著請參考圖9，圖9是比較背景技術(shù)與本發(fā)明的耐電壓程度的比較圖。其中， CD-JTE是代表本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，即具有反向摻雜區(qū)但不具有外部保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)；CD-JTE+OR是代表本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，即具有反向摻雜區(qū)且具有外部保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。

在圖9中可以了解，通過反向摻雜區(qū)進(jìn)行JTE區(qū)對濃度調(diào)整后，則CD-JTE與CD-JTE+OR能比背景技術(shù)承受更高的電壓，其擊穿電壓能維持在4500V左右；而背景技術(shù)的擊穿電壓在僅在4000V以下。

請注意，在一實(shí)施例中，其第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料若為N型半導(dǎo)體材料時(shí)，則第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料為P型半導(dǎo)體材料；反之，若第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料若為P型半導(dǎo)體材料時(shí)，則第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料為N型半導(dǎo)體材料。

請參考圖10，圖10顯示本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)剖面示意圖。本實(shí)例半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1000與600b差異在于，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1000的第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料為P型半導(dǎo)體材料，而第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料為N型半導(dǎo)體材料。意即本實(shí)施例的基板160為P型碳化硅基板所實(shí)現(xiàn)，外延層161為一P型外延層所實(shí)現(xiàn)，摻雜區(qū)164、第一JTE區(qū)162、第二JTE區(qū)163以及第三JTE區(qū)165為N型半導(dǎo)體材料，反向摻雜區(qū)CD1～CD4為P型半導(dǎo)體材料，電極T1仍為陰極，電極T2為陽極所實(shí)現(xiàn)，其余結(jié)構(gòu)與原理與前述相同，在此不另行贅述。

綜上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過利用反向摻雜的方法，使原本JTE區(qū)的原有的半導(dǎo)體材料濃度降低，以減化工藝并依然可維持最大擊穿電壓值，且降低擊穿電壓對表面電荷的敏感度。