(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを製造するための方法であって、
半導体基板の残りの部分が露出されるように、第１酸化物層を、第１導電型を有する第１半導体材料から形成された前記半導体基板の一部分にわたって形成する工程と、
前記半導体基板の第１表面上に、及び前記第１酸化物層上に保護層を形成する工程と、
第２導電型のドーパントを、前記保護層を通じて前記半導体基板内に導入して、前記半導体基板との接合を画定する接合層を形成する工程と、
第１導電層を前記接合層にわたって形成する工程と、
前記半導体基板の前記第１表面とは反対側である前記半導体基板の第２表面上に第２導電層を形成する工程と、を含み、
前記ドーパントは、イオン注入により前記半導体基板内に導入され、
前記保護層は、導電材料を含む、方法。
【請求項２】
前記保護層は、ポリシリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２導電型の前記ドーパントを導入する工程の後に、前記保護層を取り除く工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体基板内に注入された前記ドーパントを、昇温して拡散する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ツェナーダイオードは２端子電子デバイスであり、これは順バイアスされると従来のダイオードとして働く（すなわち、一方向性導電性）が、特定の閾値の電圧を超えて逆バイアスされると、逆方向に導電する。用語「ツェナーダイオード」は、通常、例えばその接合が、約５Ｖ超の逆バイアス電位でアバランシェ降伏を引き起こす従来の半導体材料（例えば、Ｓｉ）で形成されたｐ−ｎ接合からなるデバイスに適用され、このようなデバイスは、電圧調整、及び回路保護の回路で使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
理想的なツェナーダイオードの電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のプロットは図１に示されており、この図から、例えば、Ｓｉベースのデバイスに対して一般的には５Ｖを超える特定の電圧、すなわちツェナー閾値電圧を超えて逆バイアスされると、突然の逆電流の上昇が生じることが明らかである。このように、順バイアスされると、ツェナーダイオードは通常の整流器として機能するが、逆バイアスされると、そのＩ−Ｖプロットにおいて膝状、又は鋭角の降伏を呈する。ツェナーアバランシェ又は降伏の特徴は、一度、導電が逆バイアス下で生じると、デバイスにかかる電圧が、最大許容散逸率まで、逆電流の更なる増加に際し本質的に一定のままであることである。この特徴的な挙動ゆえに、ツェナーダイオードは、とりわけ、電圧レギュレータ、電圧リファレンス、及び過電圧保護器としての実用性を見出す。
【０００３】
サージ事象中、デバイスにわたる電圧降下を最小値に制限することが望ましい。したがって、ツェナーダイオードの重要な特性は、その逆サージ能力である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様では、ツェナーダイオードなどの半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、第１導電型の第１半導体材料と、第１半導体材料及び第２半導体材料の間に接合を形成するように第１半導体材料と接触している、第２導電型の第２半導体材料と、を含む。第１酸化物層は、第２半導体材料の残りの部分が露出されるように、第２半導体材料の一部分にわたって、配設される。ポリシリコン層は、第２半導体材料の露出された部分上に、及び、第１酸化物層の一部分上に配設される。第１導電層は、ポリシリコン層上に配設される。第２導電層は、第２半導体材料と接触している第１半導体材料の表面と反対側である第１半導体材料の表面上に配設される。
【０００５】
本発明の別の態様によると、半導体デバイスを製造する方法が提供される。方法は、第１酸化物層を、半導体基板の残りの部分が露出されるように、第１導電型を有する第１半導体基板から形成された半導体基板の一部分にわたって形成することを含む。保護層は、半導体基板の第１表面上、及び第１酸化物層上に形成される。第２導電型のドーパントは、保護層を通じて半導体基板内に導入され、半導体基板との接合を画定する接合層を形成する。第１導電層は、接合層にわたって形成される。第２導電層は、半導体基板の第１表面と反対側の半導体基板の第２表面上に形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】理想的なツェナーダイオードの電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のプロットを示す。
【図２】改善された逆サージ能力及び削減されたリーク電流を有するツェナーダイオードの一例を示す。
【図３】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図４】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図５】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図６】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図７】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図８】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【図９】図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得る一連のプロセスステップの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に詳細に説明するように、ツェナーダイオードは、改善された逆サージ能力及び削減されたリーク電流を有するように提供される。この改善は、１つの例示的ツェナーダイオードの設計について記載されるが、本明細書に記載の方法及び技術は、様々なツェナーダイオードの構成、並びに他の種類の過渡電圧サプレッサに同じように適用可能である。
【０００８】
図２は、改善された逆サージ能力を有するツェナーダイオードの一例を示す。示されるように、ツェナーダイオード１００は、この例では、Ｐ型ドーパントである、第１導電型のドーパントを高濃度でドープされた半導体基板１１０を含む。第２導電型の接合層１２０は、基板１１０内に形成される。この例では、接合層１２０はＮ＋型の導電性を有する。Ｐ−Ｎ接合は、半導体基板１１０と接合層１２０との間の界面に配置される。ポリシリコン層１３０は、接合層上に配設される。電極として働く第１導電材料１４０は、ポリシリコン層１３０上に配設される。同様に、これも電極として働く第２導電材料１５０は、基板１１０の裏面上に配設される。ツェナーダイオード１００はまた、基板１１０上に配設され、接合層１２０を形成するために使用されるフォトリソグラフィプロセスの一部として形成されエッチングされる第１酸化物層１６０を含む。加えて、低温酸化物（ＬＴＯ）などの第２酸化物層１７０は、その第１部分が第１酸化物層１６０上に配設され、その第２部分がポリシリコン層１３０と第１導電材料１４０の間に介在される。第２酸化物層１７０は、第１導電材料１４０を形成するために使用されるフォトリソグラフィプロセスの一部として形成されエッチングされる。
【０００９】
図２に示されるツェナーダイオードの製造プロセス中、ポリシリコン層１３０は、有利なことに、接合層１２０の前に形成される。その後、注入又は他のドーピングプロセスが使用され、ドーパントがポリシリコン層１３０上に堆積される。続いて熱処理プロセスが適用され、ドーパントがポリシリコン層１３０を通って基板１１０内に移動される。このような方法でのポリシリコン層１３０の使用は、ツェナーダイオードの逆サージ能力及びリーク電流の両方を改善することがわかっている。
【００１０】
動作のいかなる理論にも束縛されずに、ポリシリコン層は、接合層１２０を形成するために使用されるドーピングプロセスによって生じる欠陥を減らすと考えられている。ドーパントが注入などによって基板１１０に直接的に導入される場合、欠陥は典型的には、基板内の特定の深さまで生じる。これらの欠陥は、得られるデバイスの逆サージ能力及びリーク電流に悪影響を与え得る。しかしながら、ドーパントをポリシリコン層上に及びポリシリコン層を通して導入することにより、基板内の欠陥は低減され得る。
【００１１】
図２に示されたツェナーダイオードを製造するために使用され得るプロセスの一例が、図３〜９と関連して以下に説明される。
【００１２】
図３は、半導体基板及び酸化物層の断面図である。１つの実施形態では、基板２１０は、約１×１０−３Ω・ｃｍから約５×１０−３Ω・ｃｍの範囲内の抵抗率を有する低抵抗率のＰ＋型＜１１１＞方向単結晶シリコンである。このシリコン結晶格子方向は、任意選択的に、＜１００＞であり得る。別の実施形態では、基板２１０は、ガリウムヒ素などの他の種類の半導体材料からなる。更に、Ｎ型基板はまた、製造プロセスに対応する調整と共に使用され得ることが理解される。１つの実施形態では、Ｐ＋型シリコン基板は、ボロンによってドープされる。もちろん、他のドーパントもまた、代替例において使用され得ることが理解される。
【００１３】
次に、酸化物層２２０が形成される。１つの実施形態では、酸化物層２２０は、ウエハを約１０００℃の環境に約２００分間、及び約１２００℃で更に２００分間、暴露することにより作製され得る。この時間の間、加熱された半導体材料は、窒素ガスと酸素ガスとの混合物に暴露される。１つの実施形態では、約１４００Å〜約１８００Åの厚さの二酸化ケイ素層が、構造体の表面上に成長させられる。酸化物層を形成するための他のプロセスが、本発明に関連して使用され得ることが理解される。更に、酸化物層は、異なる厚さであり得る。
【００１４】
次に、フォトリソグラフィステップが、酸化物層内に開口部を作るために実行される。まず、図４に示されるように、フォトレジスト材料２２２が、酸化物層２２０の表面に適用される。１つの実施形態では、フォトレジストが約１．３μｍの厚さで適用される。フォトレジスト材料２２２は、パターンマスクを通して光に露光され、次にフォトレジスト材料の露光された部分は、酸化物層の表面から取り除かれる。１つの実施形態では、酸化物は、フォトレジストに転写されたパターンの詳細に従って、反応性イオンエッチング（「ＲＩＥ」）技術を使用して構造体の表面からエッチングされる。他の酸化物エッチングプロセスもまた、反応性イオンエッチングプロセスの代替例として使用され得ることが理解される。フォトレジスト被覆領域の下の酸化物領域は、このエッチングプロセスでは取り除かれない。
【００１５】
図５に示されるように、酸化物層２２０の中央部分は、ウィンドウ２１５を形成するように上記のようにエッチングされる。区域２２０ａは、エッチングされなかった酸化物層２２０の部分に対応する。１つの実施形態では、残りのフォトレジストは、次のステップの前に、フォトレジスト剥離溶液を用いてウエハから取り除かれる。次に非ドープであり得るポリシリコンが、基板２１０にわたって、及び酸化物層２２０ａの少なくとも一部分にわたって堆積されてポリシリコン層２５０を形成する。一部の実施形態では、ポリシリコン層２５０は、１から４μｍの厚さを有してもよい。
【００１６】
次にイオン注入プロセスが、実行される。エッチングされなかった残りの酸化物は、ハードマスクを形成し、イオンが基板２１０に入らないようにイオンがそこを通るのを防止する。一部の場合は、約１．３μｍ厚さの残りのフォトレジスト材料は、イオン注入処理の後までウエハ上に残され得、酸化物が露光されたウィンドウを除く領域のイオンを吸収するのを助ける。
【００１７】
図５において、イオン注入プロセスは、矢印２２５によって示される。矢印２２５は、ポリシリコン層２５０上に導入されるリン又はヒ素などのＮ＋型ドーパントを表す。１つの実施形態では、Ｎ＋型ドーパントは、１４０ｋｅＶのエネルギーで１．７２×１０１３イオン／ｃｍ２の照射量のリンのイオン注入を使用して導入され、約１μｍの深さの層を形成する。代替的な実施形態では、かなり低いエネルギーがイオン注入プロセスにおいて使用され得る。その後、拡散ステップが、注入されたイオンを更に基板２１０内へ移動させるために、昇温して実行され、これにより、図６に示されるようにＮ＋型接合層２４０が形成される。
【００１８】
図７に示されるように、酸化物層２６０は、ポリシリコン層２５０にわたって形成される。一部の実施形態では、酸化物層２６０は、低温酸化物（ＬＴＯ）層２６０である。
【００１９】
図８は、任意のパッシベーション層（図示せず）及び導電材料を堆積させるために、開口部を形成するための上記のフォトリソグラフィ技術を使用したエッチング後のＬＴＯ層２６０の区域２６０ａを図示する。図９に図示される導電材料２８０は、例えば、銀などの好適な金属であり得る。導電材料２８０は、ＬＴＯ層２６０内の開口部によって露出された、ポリシリコン層２５０の部分にわたって形成される。導電材料２８０はまた、ＬＴＯ層２６０の区域２６０ａにわたって形成される。
【００２０】
逆サージ能力及びリーク電流における改善が達成され得ることを明らかにするために、一連のツェナーダイオードが、異なる厚さのポリシリコン層を使用して製造された。一連の５Ｖダイオード、及び一連の７Ｖダイオードに関する結果が、表１に示される。それぞれの一連のダイオードについて３つのサンプルが製造され、１つは比較例としてポリシリコンを有さず、１つは厚さ１μｍのポリシリコン層を有し、及び１つは厚さ２μｍのポリシリコン層を有する。最小、平均、最大逆サージ能力及びリーク電流が、各デバイスについて計測された。表１が示すように、逆サージ能力は、ポリシリコン厚さが増加すると増加する。同様に、リーク電流は、ポリシリコン厚さが増加すると、減少し、これにより、デバイス構造が完成する。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
２μｍ超の厚さのポリシリコン層を有するツェナーダイオードもまた製造された。これらのデバイスに関して、逆サージ能力は、ポリシリコンの厚さが２μｍを超えて増加すると減少するということがわかった。これは、ポリシリコン層に起因する低い熱放散によるものと推察される。したがって、少ない接合欠陥及び低い熱放散のトレードオフは、５及び７Ｖのツェナーダイオードに対して約１から２μｍが最適なポリシリコン厚さになる。
【００２３】
しかしながら、これらの同じデバイスに関して、リーク電流は、ポリシリコン層厚さが、サンプルのテストの厚さ限度である４μｍまで増加するにつれ、減り続けた。４μｍ厚さのポリシリコン層を有するデバイスに関するリーク電流は、比較サンプルのリーク電流の１０分の１未満まで減少した。したがって、一部の低電圧ダイオードの実施形態に関して、１から４μｍ厚さのポリシリコン層、及びより具体的には、１から２μｍ厚さの層は、逆サージ能力において十分な増加、並びにリーク電流における減少を提供し得る。
【００２４】
当業者は、上記から、逆サージ能力を改善するポリシリコン層の使用は、異なる構成及び組成を有するデバイスに適用可能であることを認識するであろう。更に、上記とは異なる製造技術が、デバイスを製造するために使用され得る。例えば、１つの代替の実施形態では、Ｐ−Ｎ接合を形成する１対の半導体層として半導体基板を使用する代わりに、Ｐ−Ｎ接合を画定する両層を、イオン注入などによって半導体基板内に形成してもよい。
【００２５】
他の実施形態では、ドーパントがそこを通って導入されて接合層が形成される層を形成するために、ポリシリコン以外の材料が使用されてもよい。ドーピングプロセス中に起こる損傷から基板表面を保護する保護層として働き得る任意の適当な材料が、ドーパント拡散のための障壁を形成せずに使用され得る。電気的に導電するポリシリコンなどの材料を使用する利点は、ドーピングプロセスが完了した後、それらを取り除く必要がないということである。例えば、酸化物層は、ポリシリコン層の代わりに使用されてもよいが、酸化物層は、電気的導電材料ではないので、構造体がドーピングされた後、取り除かれる必要がある。
【００２６】
本発明の例示的な実施形態及び特定の用途が、図示され説明されてきたが、本明細書に開示された発明の概念から逸脱することなく、本発明の他の多くの変形及び適用が可能であることは明らかである。したがって、添付の請求項の範囲内において、本発明は、具体的に詳述されたもの以外も実行され得、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神を除いて限定されるべきではないことが理解される。本発明の特徴のいくつかは、従属請求項に記載され得るが、各特徴は独立して使用される場合、利点を有し得る。
【符号の説明】
【００２７】
１００  ツェナーダイオード
１１０  半導体基板
１２０  接合層
１３０  ポリシリコン層
１４０  第１導電材料
１５０  第２導電材料
１６０  第１酸化物層
１７０  第２酸化物層
２１０  基板
２２０  酸化物層
２２０ａ  区域
２２２  フォトレジスト材料
２５０  ポリシリコン層
２６０  酸化物層
２８０  導電材料
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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