(57)【要約】【課題】本発明は、プレーナ半導体ＰＮ接合デバイスを作る方法に向けられる。【解決手段】半導体デバイス中のプレーナＰＮ接合を作る際に使用するためのマスクは、中央マスク開口と、中央マスク開口を囲む複数の間隔を空けて配置された同心円マスク開口とを含む。同心円マスク開口は、各々、中央マスク開口の最大寸法よりも小さな幅を有する。中央マスク開口は円形であることがあり、同心円マスク開口はリング形状を有することができる。ウェーハ層にドープすべき不純物を導入するために、マスクを使用してそのウェーハ層に開口を形成することができる。【選択図】図３
2011114345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ＰＮ接合デバイスを製作する方法であって、
下層の上に形成された第１のドーピング型を有する第１のドープ層を含む、複数の層を含むウェーハを形成すること、および
中央マスク開口および前記中央マスク開口を囲む複数の同心円マスク開口を有する同心円マスクを通して、第２のドーピング型の不純物を前記第１のドープ層の中へ導入して、前記不純物の導入が前記第１のドープ層中にＰＮ接合を形成することを備え、
前記同心円マスク開口の幅は、前記中央マスク開口の最も大きな寸法よりも小さく、前記同心円マスク開口の幅は、必ずしもすべてが同じサイズとは限らないことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記中央マスク開口は、実質的に円形であり、
前記同心円マスク開口は、実質的な円形のリングを含み、
前記同心円マスク開口は、前記中央マスク開口の中心からの半径方向距離が増加するにつれて、幅が増加しないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記中央マスク開口は、実質的に円形であり、
前記同心円マスク開口は、実質的な円形のリングを含み、
前記同心円マスク開口は、前記中央マスク開口の中心からの半径方向距離が増加するにつれて、幅が減少していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記不純物を前記第１のドープ層の中へ拡散するステップを備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ＩｎＧａＡｓＰ材料系が使用され、
前記不純物は、亜鉛を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
不純物をドープ層の中へ拡散するのに適した同心円マスクであって、前記同心円マスクは、拡散を通さない材料層を備え、該材料層中に複数の開口が形成されており、該複数の開口は、
実質的に円形の中央マスク開口と、
複数の同心円マスク開口であって、各同心円マスク開口は、実質的な円形リングを備えたこととを含み、
前記同心円マスク開口の幅は、前記中央マスク開口の最も大きな寸法よりも小さく、
前記同心円マスク開口の幅は、必ずしもすべてが同じサイズとは限らず、
前記同心円マスク開口は、前記中央マスク開口の中心からの半径方向距離が増加するにつれて、幅が増加しないことを特徴とする同心円マスク。
【請求項７】
前記同心円マスク開口は、前記中央マスク開口の中心からの半径方向距離が増加するにつれて、幅が減少していることを特徴とする請求項６に記載の同心円マスク。
【請求項８】
第２の同心円マスク開口の内径は、半径方向内側の第１の同心円マスク開口の外径よりも１ミクロンを超えて大きいことを特徴とする請求項６に記載の同心円マスク。
【請求項９】
側部下方境界で囲まれた中央下方境界を備えたドーパント拡散前面を有する半導体ＰＮ接合デバイスであって、前記デバイスは、中央マスク開口と、前記中央マスク開口を囲こむ複数の同心円マスク開口とを有する同心円マスクを通したドーパントの単一ステップ熱拡散によって製作され、
前記同心円マスク開口の幅は、前記中央マスク開口の最も大きな寸法よりも小さく、
前記同心円マスク開口の幅は、必ずしもすべてが同じサイズとは限らないことを特徴とする半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１０】
前記ドーパントは、前記同心円マスクの中心からの半径方向距離の増加につれて幅が増加しない同心円マスク開口を通して拡散されることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１１】
前記ドーパントは、前記同心円マスクの中心からの半径方向距離の増加につれて幅が減少する同心円マスク開口を通して拡散されることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１２】
前記ドーパントは、１つの同心円マスク開口の内径が、隣接した半径方向内側の同心円マスク開口の外径よりも１ミクロンを超えて大きい同心円マスクを通して拡散されることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１３】
前記ドーパント拡散前面の断面形状は、前記側部下方境界に沿って、前記中央下方境界が前記側部下方境界と交わる前記中央下方境界のエッジでほぼゼロであり、前記側部下方境界が前記デバイスの半径方向外側境界に達するにつれて単調に増加する絶えず変化する傾斜を持っていることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１４】
前記ドーパント拡散前面の断面形状は、前記側部下方境界に沿って、半径方向外向きの方向に減少していく率で増加する傾斜を持っていることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１５】
前記ドーパント拡散前面の断面形状は、前記側部下方境界に沿って、次式で与えられる近似の２０％以内にあり、
ｄ＝ｄ０＋ｋ｛１−ｃｏｓ［（ｒ−ｒ０）／ｓ］｝      （式１）
ここで、
ｒ０は、前記中央下方境界の中心から前記中央下方境界の外縁までの距離であり、
ｒは、ｒ＞ｒ０の有限範囲にわたって、前記中央下方境界の中心を基準とした半径座標であり、
ｄは、半径座標ｒでの空乏領域の局所的な幅であり、
ｄ０は、ｒ＝ｒ０での空乏領域の幅であり、
０．５＜ｋ＜１．５、および
６．０＜ｓ＜９．０であることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１６】
ＰＮダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１７】
ＰＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１８】
アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項１９】
ＩｎＧａＡｓＰ材料系で製作されたアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１８に記載の半導体ＰＮ接合デバイス。
【請求項２０】
ダイオードを製作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
フォトダイオードを製作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
アバランシェフォトダイオードを製作することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレーナ接合を作るための方法および装置に関連する。特に、接合形成における拡散またはイオン打込みステップ中に同心円マスクを使用する方法および装置に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）中のＰＮ接合を形成するための典型的なドーパント拡散プロセスでは、ドープされるべき層は、予め決められた形およびサイズの中央開口を持つ拡散マスクで覆われる。次に、ほぼ等方的に拡散するドーパントイオンが、マスクの開口を通して、ドープされるべき層の中へ拡散される。拡散深さの制御での狭い単一マスク開口の作用は、１９６６年にKennedyおよびMurleyによって説明された（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、従来技術のアバランシェフォトダイオード１００の上部の層の断面図を示す。従来技術のフォトダイオードは、複数の層を含むウェーハに形成される。図１に見られるように、様々な層の中には、第１のＩｎＰバッファ層１０２、ＩｎＰ層の上のＩｎＧａＡｓ吸収体層１０４、ＩｎＧａＡｓ吸収体層の上に層１０５として一括して示された傾斜層（grading）および電荷層、および層１０５の上の低濃度にｎ型ドープされた第２のＩｎＰ層１０６（「増倍」層として働く）がある。すべて知られたやり方で、ＳｉＮｘ（例えば、窒化珪素）層１０８が低濃度ｎ型ドープＩｎＰ層１０６の上に形成される。ＩｎＧａＡｓ吸収体層１０４、傾斜層および電荷層１０５、および低濃度ｎ型ドープの第２のＩｎＰ増倍層１０６が、一緒になって、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＡＰＤ１００のよく知られたＳＡＧＣＭ（Separate Absorption Grading Charge Multiplication）構造を形成する。
【０００４】
ｐ＋拡散領域１１０は、低濃度ドープｎ型ＩｎＰ層１０６の中に形成される。上面図または平面図では、ｐ＋拡散領域１１０（低濃度ドープｎ型ＩｎＰ中への亜鉛拡散によって形成されるなど）は、円形でＷ１の直径を持っている。ＰＮ接合は、ｐ＋拡散領域１１０と低濃度ドープｎ型ＩｎＰ層１０６の間の空間電荷領域中に形成される。ｐ＋拡散領域１１０の外縁１５０は、単一中央開口を持つマスクを使用するドーピングプロセスのために、いくぶん丸くなっている。低濃度ドープｎ型ＩｎＰ層は、ｐ＋拡散層１１０の中央部とＩｎＧａＡｓ層１０４の間に最小厚さＴ１を持っている。
【０００５】
２次元では、結果として得られた拡散前面の断面形状は、点源からの等方拡散によって画定される円弧とマスクの中央開口の畳み込みである。拡散領域の縁で、この畳み込みは、ほぼ円形の断面をもたらし、その曲率半径は拡散深さにほぼ等しい。結果として得られたＰＮ接合に逆バイアスが加えられたとき、この形は、接合の中央部の大部分よりもかなり高い空乏領域電界を接合縁部で引き起こし、したがって、望ましくないエッジブレークダウン効果を生じさせる。いくつかの場合には、このブレークダウンは、トンネリング、または他のアバランシェブレークダウンによるかもしれない。
【０００６】
したがって、半導体デバイスにおいてドーパントの熱拡散によって形成されたＰＮ接合の３次元形状は、接合の逆方向ブレークダウン電圧に影響を及ぼす。多くの型の半導体デバイスにおいて、接合ブレークダウンは、理想的なデバイスに期待される接合ブレークダウンよりも低い電圧で起きる。何故なら、典型的には接合の側縁近くに、等電位面が大きな曲率（すなわち、短い曲率半径）を有する接合の領域に局限されたブレークダウンのために、電界（電位の傾き）の望ましくない局所増大を引き起こすからである。エッジ効果による接合ブレークダウン電圧のこの望ましくない低下は、一般に「エッジブレークダウン」と呼ばれる。
【０００７】
高電界で動作するプレーナＰＮ接合でのエッジブレークダウンの問題は、プレーナ半導体デバイス技術の初期から当業者には知られている。特に指摘されていることであるが、周辺部に小さな曲率半径を持つ拡散階段接合は、同じ空乏幅の平面メサ接合または傾斜プレーナ接合のどちらよりも遥かに低いブレークダウン電圧を持っている。この差は、等電位面が強い曲率を持つとき生じる電界の急激な増大の結果であることを示すことができ、拡散プレーナ接合、拡散傾斜接合、および平面メサ接合の幾何学的形態に適用されたポアソンの式の単純な結果である。段階状（abrupt）のＰＮ接合ではなく直線的な傾斜ＰＮ接合を使用することで、エッジブレークダウン効果も軽減される。しかし、直線的な傾斜接合を形成するために要求されるドーパント分布制御を、与えられたデバイス製造プロセスの制約内で得ることは、不可能でないとしても、困難であることが多い。
【０００８】
過去において、拡散段階接合の周辺部の短い曲率半径に関連した電界スパイクを和らげるために、様々な「ガードリング」構造および複数拡散（例えば、「二重拡散」）構造が、シリコンデバイス技術とＩＩＩ−Ｖデバイス技術の両方で利用された。
【０００９】
特にアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）におけるエッジ利得制御に関して、近年製造された市販のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＡＰＤで使用されたエッジ利得制御の最も一般的な手法は、浅い浮動ガードリングを用いた二重拡散Ｐ領域設計である。この例は、非特許文献２に見ることができ、この内容は参照して組み込まれる。
【００１０】
しかし、電気通信市場向けのそのようなデバイスを製造する数年の経験によって、そのような手法は、エッジ利得を無くするのにせいぜい周縁部でだけ効果的であり、それにより電気通信用途で使用されるＡＰＤで一般的な５から８の比較的控え目な直線利得だけに適していることが示された。アバランシェ利得が増すにつれてエッジ利得はますます厳格になるので、ガイガーモード光子計数用途のようにデバイスが半無限利得にバイアスされるとき、二重拡散設計は、首尾一貫してエッジ利得を無くするのに効果的でない。ポアソンの式を二重拡散設計の幾何学的形態に適用することでも、この手法が基本的に効果のないことが示されている。というのは、現実的な幾何学的形態およびドーピングプロファイルに関して、コンピュータモデルによって、浅い第１の拡散も浅い浮動ガードリングも、より小さな第２の拡散のエッジの等電位線の曲率に大きな影響を及ぼすことができないことが、示されているからである。
【００１１】
ガードリングに関して、二重拡散の１つの従来技術の代替は、拡散よりも前に増倍層の上面に予め決められた厚さの井戸構造を予めエッチングすることであった。井戸構造は、断面図で、結果として得られるデバイスに階段状（stepped）の外観を与える。そのような階段状構造は、非特許文献３の図１に見ることができ、この文献の内容は参照して組み込まれる。
【００１２】
浅い浮動ガードリングに関する二重拡散のいくつかの他の代替が、エッジ利得の問題の解決策として提案されている。これら代替の大部分には、１つまたは複数の重大な欠点、例えば、周縁部有効性（例えば、深い拡散浮動ガードリング）、製造することの困難さ（例えば、電荷シートエッチングとエピタキシャル再成長、深い拡散浮動ガードリング、イオン打込みで製作された傾斜接合、ＡＰＤ構造に「分離」層を追加すること、傾斜側壁トレンチのエッチング）、デバイス信頼性低下（例えば、メサ接合）、または、光子計数デバイスにとっては許容できない制約を吸収および増倍層厚さに課すこと、がある。
【００１３】
プレーナＰＮ接合におけるエッジブレークダウンの問題は、誘電体中に埋め込まれた２つの有限サイズ平行板導電性電極間のブレークダウンの一般的な静電問題に似ており、Ｐ領域は一方の電極に相当し、Ｎ領域が他方の電極に相当し、空乏領域が誘電体に相当する。有限サイズ平板に関するエッジブレークダウンの問題は、高電圧工学で一般的なものであり、最初に１９世紀にMaxwellによって、その後２０世紀初めにRogowskiによって扱われた。彼らは、電界が、電極間隙の中央部の範囲内ではすべての半径方向位置で一定に保たれ、また、その間隙の外側では、平板のエッジ近くで半径方向距離の増加につれて平板間隔を徐々に大きくするように電極を形作ることによって、単調に減少するようにすることができることを示した。この効果を生じさせるために必要な電極形状は、Rogowskiプロファイルとして高電圧工学の分野で知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】DP Kennedy & PC Murley, “Calculations of Impurity Atom Diffusion Through a Narrow Diffusion Mask Opening,” IBM Journal, 1966, pages 6-12
【非特許文献２】Liu et al., "A Planar InP / GaAs Avalanche Photodiode with Floating Guard Ring and Double Diffused Junction", IEEE J. of Lightwave Tech., v.10 n.2, February. 1992. pp 182-193
【非特許文献３】Taroｆ et al., “Planar InP-InGaAs Single-Growth Avalanche Photodiodeｓ with No Guard Rings,” IEEE Photonics Technology Letters, v.7 n.11 (November 1995), pp 1330-1132
【発明の概要】
【００１５】
一態様では、本発明は、プレーナ半導体ＰＮ接合デバイスを作る方法に向けられる。本発明方法は、下層の上に形成された第１のドーピング型を有する第１のドープ層を含む、複数の層を含むウェーハを形成すること、および、中央マスク開口および中央マスク開口を囲む複数の同心円マスク開口を有する同心円マスク（concentric ring mask）を通して第２のドーピング型の不純物を、前記第１のドープ層の中へ導入することを備え、前記同心円マスク開口の幅は、中央マスク開口の最も大きな寸法よりも小さく、前記不純物の導入は、前記第１のドープ層中にＰＮ接合を形成する。
【００１６】
他の態様では、本発明は、側部下方境界によって囲まれた中央下方境界を含むドーパント拡散前面を有する半導体ＰＮ接合デバイスに向けられる。本デバイスは、中央マスク開口と、中央マスク開口を囲む複数の同心円マスク開口とを有する同心円マスクを通したドーパントの単一ステップ熱拡散によって作製され、同心円マスク開口の幅は、中央マスク開口の最も大きな寸法よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術のアバランシェフォトダイオード中のＰＮ接合を示す図である。
【図２】本発明にかかるマスクを使用して作られたアバランシェフォトダイオード中のＰＮ接合を示す図である。
【図３】本発明にかかるマスクの一実施形態を示す平面図である。
【図４】ドープされるべき領域の上に置かれている本発明にかかるマスクの一実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるマスクを設計し利用するステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態に従って作られたアバランシェフォトダイオード２００の上部の層の断面図を示す。フォトダイオード２００は、第１のＩｎＰバッファ層２０２、第１のＩｎＰバッファ層２０２の上のＩｎＧａＡｓ吸収体層２０４、層２０５として一括して示された電荷層および傾斜層、および層２０５の上の低濃度ｎ型ドープの第２のＩｎＰ層２０６（これは、増倍層として働く）を含む。低濃度ｎ型ドープＩｎＰ層２０６の上にＳｉＮｘ（例えば、窒化珪素）層２０８が形成される。ｐ＋拡散領域２１０が低濃度ドープｎ型ＩｎＰ層２０６中に形成される。
【００１９】
示された実施形態の上面図または平面図では、ｐ＋拡散領域２１０は、円形であり、Ｗ２の直径を持っている。ＰＮ接合は、ｐ＋拡散領域２１０と低濃度ドープｎ型ＩｎＰ層２０６の間の空間電荷領域中に形成される。上面図では、ｐ＋拡散領域２１０は、実質的に円形の中央部２７０と、この中央部２７０を囲む実質的にリング状の側部２７２とを備える。
【００２０】
図２の断面図では、ｐ＋拡散領域の中央部２７０は、実質的に平らでＳｉＮ層２０８の上表面２６０に平行な中央下方境界２４０を持ち、一方で、側部２７２は、中央下方境界２４０を囲み、かつ中央下方境界２４０からｐ＋拡散領域２１０の丸くなった半径方向外縁２５０まで極僅か上向きに先細りになった側部下方境界２４２を有している。また、拡散領域２１０は、上面図では、実質的に円形であるので、ｐ＋拡散領域２１０の側部下方境界２４２は、徐々に先細りなったほぼ錐面を含む。
【００２１】
非常に一般的な意味で、断面図では、側部下方境界２４２に沿ったドーパント拡散前面の断面形状は、絶えず変化する傾斜を持っている。一実施形態では、この傾斜は、中央下方境界２４０が側部下方境界２４２と交わる中央下方境界２４０の縁でほぼゼロであり、丸くなった半径方向外縁２５０に近づくにつれて単調に大きくなる。さらに、いくつかの実施形態では、側部下方境界２４２に沿って、ドーパント拡散前面の傾斜は、半径方向外向きの方向に減少していく率で大きくなっている。与えられたデバイスにおいて、側部下方境界２４２に沿ったドーパント拡散前面の傾斜が半径方向外向きの方向に余りにも急激に大きくなると、エッジブレークダウンが起こる可能性がある。他方で、側部下方境界２４２に沿ったドーパント拡散前面の傾斜が半径方向外向きの方向に余りにも緩やかに大きくなると、中央下方境界２４０が、実質上、望ましいものよりも広がる。
【００２２】
図２のデバイス２００において、側部下方境界２４２に沿って断面形状をモデル化する１つの近似は、次式で与えることができる。  
ｄ＝ｄ０＋ｋ｛１−ｃｏｓ［（ｒ−ｒ０）／ｓ］｝        （式１）
ここで、
ｒ０は、中央下方境界２４０の半径である。すなわち、中央下方境界２４０の中心から中央下方境界２４０の外縁までの距離である。  
ｒは、ｒ＞ｒ０の有限範囲をわたって、中央下方境界２４０の中心を基準とした半径座標である。  
ｄは、半径座標ｒでの空乏領域の局所的な幅である。  
ｄ０は、ｒ＝ｒ０での空乏領域の幅である。  
ｋおよびｓは、デバイスの特定の幾何学的形態、境界条件およびキャリア密度に依存するパラメータであり、ポアソンの式の反復解法またはＳＵＰＲＥＭのような半導体デバイスシミュレータの使用によって決定することができ、すべて当業者に知られている。
【００２３】
パラメータｄ０、ｒ０、ｋおよびｓをスケーリングすることによって、この近似を、異なるサイズに作られたデバイス幾何学的形態および異なる半導体材料系に適応させ、ｄの結果として得られる近似が、ｒ＞ｒ０の有限範囲で、与えられたデバイスの実際の値の２０％以内とすることができる。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＡＰＤの一実施形態では、式１の近似は、ｄ０＝０．５μｍ、ｒ０＝２５μｍ、３５μｍ＞ｒ＞ｒ０、５＜ｋ＜１．５、および６＜ｓ＜９の場合に有効である可能性がある。
【００２４】
ＳｉＮｘ層２０８は、デバイス２００の上表面２６０を形成する。図２の実施形態では、上表面２６０は、中央下方境界２４０のほとんど直上の中央上表面部２３０と、側部下方境界２４２の直上の側部上表面部と、ｐ＋拡散領域を覆うとしても極僅かに覆う外側上表面部２３８とを含む。上述のTarof論文の図１に見られるような階段状の断面を持つ予めエッチングされた井戸領域と違って、表面部２３０、２３２、および２３８は、実質的に同じ平面にある。
【００２５】
デバイス２００が逆バイアスされたとき、電界は、意図せずにドープされたＮ領域内に集中する。２つの高濃度ドープ領域（それぞれＰおよびＮ）は、等電位境界にほぼ近い。図２に見られるように、接合の側縁２５０に近づくにつれて、Ｐ拡散深さは徐々に減少する。ほぼ円形の断面形状が、接合の外縁２５０に依然として存在している。しかし、従来の拡散接合とは異なり、リングマスク縁部の下の拡散深さはかなり浅くなっている。その結果、このエッジ部での短い局所曲率半径にもかかわらず、局所空乏領域電界は依然としてブレークダウン電界より下である。急な接合湾曲にもかかわらず、エッジブレークダウンを生じさせるだけ十分に電界が高くなるのを妨げているのは、この点でのより大きな空乏領域厚さである。
【００２６】
本発明に従った同心円マスクを使用して形成されたＰＮ接合の外縁２５０は、従来の単一拡散マスク開口を使用した場合とほぼ同じように、円形断面プロファイルを有する。
【００２７】
図３は、本発明にかかる同心円マスク３００の一実施形態を示す。単一中央開口を持つ従来技術の拡散マスクとは異なり、本発明に従った同心円マスク３００は、３８０、３８２、３８４、３８６および３８８によって全体的に示された、複数の同心に配列された光学的に不透明な壁を含む。ここで指摘されることであるが、図３において、最外壁３８８は、波形の外枠３８９を持つものとして描かれ、外向きの矢印３９０は、最外壁３８８の外枠３８９が、図４に見られるように、マスク３００の外側の限界まで広がっていることを示している。
【００２８】
壁３８０、３８２、３８４、３８６および３８８は、中央開口３１０および３２０、３３０、３４０および３５０によって全体的に示された同心円マスク開口の境界を画定している。同心円マスク開口３２０、３３０、３４０および３５０は中央開口の最も大きな寸法（例えば、直径）よりも幅が小さく、これらの幅は半径方向距離の増加につれて減少している。したがって、同心円マスクは、互いに間隔を空けて配列された複数の減少していく幅のリング状開口によって囲まれた中央開口を含むと考えることができる。拡散は、様々な開口を通して起こる。
【００２９】
また図３に見られるように、中央開口３１０は、外径Ｒ１ｏを持ち、内径を持たない。同心円マスク開口３２０、３３０、３４０、３５０の各々は、そのリング開口の幅を互いに画定する内径および外径を持っている。したがって、例えば、第１の同心円マスク開口３２０は、Ｒ２ｉの内径およびＲ２ｏの外径を持っている。一実施形態では、壁３８０、３８２、３８４、３８６および３８８は、すべて、同じ幅を持っているが、これは絶対的な要求条件ではない。
【００３０】
図４は、デバイス２００を形成するために使用されるウェーハ４００の上に位置付けされた同心円マスク３００の断面図を示す。マスク３００は、はっきりさせるために、ウェーハ４００の上に浮かんでいるものとして示されている。しかし、理解されることであるが、マスク３００は、拡散プロセス中、ウェーハ上に載っている。ウェーハ４００は、下から上に向かって、第１のＩｎＰ層４０２、ＩｎＧａＡｓ吸収層４０４、４０５として全体的に示された傾斜層および電荷層、低濃度ドープｎ型ＩｎＰ倍増層４０６、およびＳｉＮｘ層４０８を含む。図４に見られるように、同心円マスク３００の最も大きなリング３５０の外径はほぼＷ２であり、このＷ２は、図２のデバイス２００のｐ＋拡散領域２１０の直径である。
【００３１】
拡散深さが、各開口の幅に比べて大きく、かつ隣り合った開口間の間隔に比べて大きい場合には、この同心円マスク３００を通した拡散は、半径方向距離の増加につれて減少する拡散をもたらす。実際に、小さな同心円の開口は、拡散プロセスの駆動力である表面での平均ドーパント濃度を減らすように作用する。開口の幅および間隔を制御することによって、広い範囲にわたって、要求された緩やかな傾斜を生成するように局所拡散深さを制御することができる。
【００３２】
材料系の拡散パラメータが知られている場合には（例えば、ことによると式１に従って、目標ドーパント濃度対深さ、およびエッジブレークダウンを最小限にする接合プロファイルを見出すためのポアソンの式の使用）、与えられた接合プロファイルを得るために要求される特定のリングマスクパターンは、当業者には知られている種類の半導体拡散／打込みシミュレーションソフトウェアを使用して、定量的に決定することができる。
【００３３】
効果的なリングマスクパターンは、また、経験的な実験設計技術を使用して決定することができる。本明細書で説明される一般的な原理に基づいて適切なリングマスクパターンを最初に推測し、そのパターンおよびその変形例を用いてデバイスを製作し、それらのデバイスすべてを試験し、データを分析して、エッジブレークダウンを抑制するのにどのリングマスクパターンがよりうまくいくかを決定することができる。次に、「十分に良い」解決策が見出されるまで、必要な回数だけ新しい変形例を用いてこの手順を繰り返すことができる。
【００３４】
下の表１は、本発明の一実施形態に従った円形同心円マスクの例示のマスク設計仕様を示す。特に、下の表１は、直径５０ミクロンの中央拡散開口を持つＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＳＡＧＣＭ  ＡＰＤにおいてエッジブレークダウンを制御するのに効果的であることが分かった、経験的に決定されたマスク設計仕様を提供する。表１のマスク設計仕様は、各マスク開口の内径および外径と各マスク開口の幅を表し、マスク開口＃１は中央マスク開口に対応し、残りのマスク開口は同心円マスク開口に対応している。
【００３５】
【表１】
2011114345.tif 000003
【００３６】
上の表１は、Ｚｎ拡散Ｐ領域を持つＩｎＧａＡｓＰ  ＡＰＤで使用するためのマスクパターンの一実施形態を表す。マスクパターンのどの部分が不透明でどれが透明であるかは、当業者には知られているように、パターンを転写するために使用されるリソグラフィステップの詳細、特に、使用されるフォトレジストがポジ型かネガ型かによって決定される。
【００３７】
表１で指定された同心円マスク実施形態に見られるように、同心円マスク開口の幅は、中央マスク開口の中心からの半径方向距離の増加につれて単調に減少している（または、あるいは、非増加）。さらに、同心円マスク開口の幅はすべて同じサイズとは限らず、それで少なくとも１つの同心円マスク開口は、残りの同心円マスク開口とサイズが違った幅を持っている。半径方向距離が増加しているところでますます狭くなるマスク開口は、大きな中央開口に比べて実効拡散係数を減少させる効果を有しているので、半径方向距離と共に減少する接合深さを同心円領域に生じさせる。（ＩｎＧａＡｓＰ  ＡＰＤで一般にそうであるような）ほぼ片側が段階状の接合である場合には、エッジ近くの結果として得られた接合断面は、高電圧工学の分野で知られているRogowskiプロファイルに定性的に対応する。
【００３８】
表１に見られるように、隣り合ったリング間の間隔（したがって、隣り合ったリング間の壁の厚さ）は、この実施形態では一定に保たれ、この例では０．４ミクロンである。しかし、理解されることであるが、他の壁厚さが同様に使用されることがある。したがって、いくつかの実施形態では、１つの同心円マスク開口の内径は、隣接した半径方向内側の同心円マスク開口の外径よりも１ミクロンを超えて大きく、したがって、結果として０．５ｍｍの壁厚さを生じさせることができる。また、表１に指定された同心円マスクは、合計８箇の開口を持っているが、他の数の開口を持つマスクも作ることができることは理解される。
【００３９】
さらに理解されることであるが、拡散マスクの形成に関係する当業者は、表１の仕様および使用される材料系（例えば、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、その他）、特定のＰドーパント、拡散またはイオン打込みの使用、プロセス温度などが与えられると、同心円マスクをどうのように作るかが分かるだろう。
【００４０】
図５は、プロセス流れ図５００を示し、本発明にかかるＰＮ接合を持つ半導体デバイスを形成するための使用プロセスの一実施形態を示している。
【００４１】
ステップ５１０で、同心円マスクが設計される。同心円マスクは、中央の大きな開口を囲む一連の狭いリングを備えている。中央の大きな開口は、デバイス（例えば、ＡＰＤデバイス）の主能動領域を画定する。狭いリングの幅は、半径方向の距離の増加につれて単調に減少するか非増加でなければならない。特定の数のリングおよび、半径方向距離と開口の内径および外径との間の特定の数値関係は、上で説明されたように、いくつかの詳細に依存する。
【００４２】
ステップ５１２で、複数の設計パターンを持った単一マスクが製作される。標準的な設計からそのようなマスクを用意することができるマスク製作ベンダーは、関連業界で知られている。
【００４３】
ステップ５１４で、拡散マスク材料、例えば窒化珪素が、エピタキシャルウェーハ表面に堆積される。ＡＰＤ製作の場合には、初めのエピタキシャルウェーハは、ＡＰＤを製作するために必要な層構造、すなわち基板、バッファ、吸収体、電荷、バンドギャップ傾斜、増倍、およびキャップを既に組み込んでいる。
【００４４】
ステップ５１６で、マスクと標準的なフォトリソグラフィおよびエッチング法とを使用して、マスクパターンは、次に、対応するマスク開口が生成されるように拡散マスク層に転写される。
【００４５】
ステップ５１８で、Ｐドーパント（例えば、ＩｎＧａＡｓＰでＺｎ）が単一ステップで開口を通して拡散されて、ＰＮ接合を形成する。
【００４６】
最後に、ステップ５２０に見られるように、本方法は、所望のデバイス、例えばＡＰＤを製作するために、当業者に知られている従来のプロセスステップを続ける。
【００４７】
上のステップを行うことで、結果的に、逆バイアスされたデバイス内の電界が、能動領域全体にわたって一定で、それからこの領域の外では、接合の側縁に達したとき電界の幾何学的形態による増加が正味電界を中央能動領域内の電界よりも小さく保つのに十分なだけ小さいように、半径方向距離と共に徐々に減少するデバイスがもたらされる。これによって、エッジ利得効果が無くなる。
【００４８】
したがって、本発明において、ドーパント拡散がほぼ等方的であり、その拡散速度が、与えられた材料系に関して、温度と濃度勾配によって決まるにもかかわらず、拡散前面の形状は、Rogowskiプロファイルに似た効果を生じさせるために制御される。
【００４９】
上述の実施形態では、ドーパントイオンが拡散する中央マスク開口は、円形であるとみなされている。この円形中央マスク開口は、様々な半径方向の幅および間隔を持っている複数の半径方向外側のリング状開口によって囲まれている。結果として、全体的に半径方向および軸方向に対称なドーパント濃度となる。しかし、理解されることであるが、他の従来の中央マスク開口形状、例えば三角形、正方形、長方形、または他のもっと複雑な幾何学的形態でさえも、代わりに使用されることがある。そのような非円形の中央マスク開口形状が使用されるとき、対応するマスク開口は非円形の形になる。
【００５０】
上述の実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系用のプロセスに関して、拡散に言及した。これは、ＩｎＧａＡｓＰ材料系では、拡散が最も一般的な接合形成法であるからである。しかし、理解されることであるが、他の材料系では、本発明のマスクを使用して、イオン打込みが接合形成のために使用されるかもしれない。
【００５１】
上述の単一ステップ拡散プロセスを使用して、エッジブレークダウン効果を緩和することが重要である可能性のあるデバイスを製造することができる。関係のあるデバイスには、ＩｎＧａＡｓＰ材料系で製作されるＳＡＧＣＭ構造のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）があるが、これに限定されない。また、このプロセスは、最終デバイスのエッジブレークダウンを抑制するのに役立つやり方でＰＮ接合の３次元形状を直接制御する。したがって、この拡散方法は、二重拡散手法よりも少ない拡散ステップを使用する可能性があり、より変更の少ない製造プロセスとすることができる。
【００５２】
本発明は、本明細書で複数の態様および実施形態に関連して上で説明されたが、これらの態様および実施形態が、本発明を限定する意図でなく例として提供されたことは、理解される。したがって、本発明は、どの特定の実施形態または態様にも限定されるべきでなく、それどころか、本明細書に添付された特許請求の範囲の詳述に従って広くかつ広い範囲で解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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