(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に一導電型領域と他導電型領域が交互に形成され、複数のＰＮ接合が直列に形成されたダイオードの製造方法において、
絶縁基板上に一導電型の半導体層を形成する工程と、
一導電型領域を形成する予定である領域における前記一導電型の半導体層を残し、他導電型領域を形成する予定である領域における前記一導電型の半導体層の一部を除去することにより、前記絶縁基板を露出させる溝を形成する工程と、
前記一導電型領域表面に予め酸化膜を形成する工程と、
前記溝内を他導電型の半導体層で充填し、前記一導電型領域と前記他導電型領域を交互に配置させる工程と、
前記他導電型領域から前記酸化膜を通して前記一導電型領域表面に不純物を拡散させ、ＰＮ接合を形成する工程と、を含むことを特徴とするダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＮ接合を有するダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用の点火装置の定電圧素子として利用されているダイオードとして、ＰＮ接合を有するダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。このダイオードは、複数のＮ型領域と複数のＰ型領域を有しており、これらのＰ型領域とＮ型領域が絶縁基板上に交互に直列に配置されたＰＮ接合構造を採る。この構造は、複数のツェナーダイオードが各々逆向きに直列接続された等価回路となるので、逆向きに接続された向かい合う１組のダイオードが温度特性を互いにキャンセルし合うようになり、ツェナー電圧の温度依存性を小さくできる。また、Ｎ型領域とＰ型領域を絶縁基板上に形成したことで、絶縁基板の耐圧を十分に大きくすることができる。したがって、このダイオードは、絶縁基板の耐圧を十分に確保しつつ、ＰＮ接合の数を増やすことでダイオードのツェナー電圧の値を十分に高くできる。
【０００３】
このダイオードの製造方法は、まず絶縁基板上にポリシリコンを堆積させ、次いでポリシリコンの全面にＰ型のドーパント、例えばＢ（ボロン）をイオン注入して拡散させる。これにより、Ｐ型ポリシリコンが絶縁基板上に形成される。次いで、ダイオード領域をエッチングし、レジストをマスクとしてＮ型のドーパント、例えばＰ（リン）をイオン注入して拡散させる。この状態で熱処理することで、絶縁基板上の所望する箇所にＮ型領域及びＰ型領域が交互に並ぶように形成される。つまり、絶縁基板上にダイオード素子が形成される。次に、ポリシリコンを熱酸化させて、ダイオード素子の表面に二酸化シリコンを形成する。そして、二酸化シリコンの上にＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｇｌａｓｓ）を堆積させて、ダイオード素子の端部に電極を形成する。次いで、ポリイミドを塗布し、フォトリソグラフィーにより電極上に開口部を形成した絶縁被覆層を形成する。その後、ダイシングして個々の半導体チップに個片化する。最後に、個片化した個々の半導体チップにリード端子を接続することでダイオードが完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０５３５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ツェナーダイオードの温度係数が略０になるのがＰＮ接合１段当たり６．３Ｖ程度であることから、スパークプラグの放電電圧をクランプするために必要な３２，０００Ｖ〜３８，０００Ｖ耐圧を実現するためには、５，０００〜６，０００段のＰＮ接合が必要となる。ところが上記のようなダイオードの製造方法では、ＰＮ接合１段の通電方向（図９に示す従来のダイオード１００の左右方向）の長さが３〜４μｍであるため、６，０００段ではチップの長さが２０ｍｍ以上になってしまい、最終製品の長さが非常に長くなる。そこで、複数のチップに分けてワイヤボンディングすることでＰＮ接合を蛇行するように配置したり、直列にＰＮ接合を形成することで１列になった状態のチップを蛇行するように形成してリードフレーム上に配置したりしているが、いずれの場合もコストが高く、実装面積も大きくなってしまうという課題があった。
【０００６】
また、上記のようなダイオードの製造方法では、Ｎ型領域を形成するためにポリシリコンに上からイオン注入するので、横方向に拡散してしまい、１段のＰＮ接合の長さを短くできない。また、ポリシリコン中のイオン注入した不純物は、ポリシリコンの表面に近い程濃度が高く、絶縁基板に近い程濃度が低くなるため、ポリシリコンの厚さを厚くすることができないという課題もあった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＰＮ接合１段当たりの通電方向の長さが短く、ポリシリコンの厚さが厚いダイオードの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、サファイア、アルミナセラミックス、石英などの絶縁基板上に一導電型領域と他導電型領域が交互に形成され、複数のＰＮ接合が直列に形成されたダイオードの製造方法において、絶縁基板上に一導電型の半導体層を形成する工程と、一導電型領域を形成する予定である領域における前記一導電型の半導体層を残し、他導電型領域を形成する予定である領域における前記一導電型の半導体層の一部を除去することにより、前記絶縁基板を露出させる溝を形成する工程と、前記一導電型領域表面に予め酸化膜を形成する工程と、前記溝内を他導電型の半導体層で充填し、前記一導電型領域と前記他導電型領域を交互に配置させる工程と、前記他導電型領域から前記酸化膜を通して前記一導電型領域表面に不純物を拡散させ、ＰＮ接合を形成する工程と、を含むことを特徴とするダイオードの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＰＮ接合１段当たりの通電方向の長さが短く、半導体層の厚さが厚いダイオードの製造方法を提供できる。
より詳しく述べると、絶縁基板上に形成した一導電型（例えばＰ型）の半導体層に溝（トレンチ溝）を形成し、この溝の中に他導電型（例えばＮ型）の半導体層を形成した後、他導電型の半導体層から一導電型の半導体層に不純物を拡散させてＰＮ接合を形成するので、一導電型の半導体層と他導電型の半導体層が交互に緻密に並んだ状態に形成することができる。そして、ＰＮ接合の形成は短時間の拡散により行うため、絶縁基板上に形成する半導体層の厚さを溝の加工可能な範囲で厚くすることができる。これにより、チップの通電方向の寸法と、チップの垂直方向の寸法（幅）を共に小さくしても十分な電流を流すことができ、チップサイズの小型化が実現できる。また、一導電型の半導体層と他導電型の半導体層を略同じ寸法で形成することができるので、ダイオード全体の電界を均一にすることができ、数千ボルト乃至数万ボルトの耐圧が求められるダイオードを形成するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第１工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第２工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第３工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第４工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第５工程を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第６工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第７工程を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第８工程を示す断面図である。
【図９】従来のダイオードの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係るダイオードの製造方法を具体的に開示した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法について説明する。
図１〜図８は、本発明の第１の実施形態に係るダイオードの製造方法における第１工程〜第８工程を示す断面図である。
〔第１工程〕
図１に示すように、まずサファイア基板（絶縁基板）１の表面全体にＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により１．５μｍのポリシリコン膜２を形成する。この工程で形成するポリシリコン膜２の厚さは、従来のダイオードと比較して十分に厚くすることができる。従来は、例えば０．７５μｍ程度であるのに対し、本実施形態はその倍の１．５μｍとしている。
【００１４】
ポリシリコン膜２の表面全体にＢ（ボロン）イオンを注入し、１１７０℃で１８０分の熱処理を行ってＢイオンをポリシリコン膜２全体に拡散させ、Ｐ型のポリシリコン膜２を形成する。
【００１５】
〔第２工程〕
次に、図２に示すように、Ｐ型のポリシリコン膜２の表面に、例えば窒化膜３ａと酸化膜３ｂの積層膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりＰ型ポリシリコン領域の形成予定領域を被覆し、Ｎ型領域の形成予定領域を開口するマスク膜３を形成する。露出するＰ型のポリシリコン膜２をエッチング除去してサファイア基板１に達するトレンチ溝５により分離されたＰ型ポリシリコン領域４を形成する。
【００１６】
〔第３工程〕
次に、図３に示すように、ダイオード形成領域表面に０．２５〜０．３５μｍの薄いポリシリコン膜６を形成する。ここで、Ｐ型ポリシリコン領域４の表面には、薄い酸化膜７を予め形成した後に、薄いポリシリコン膜６を形成する。薄いポリシリコン膜６を形成した後、このポリシリコン膜６にＰ（リン）イオンを注入する。
【００１７】
〔第４工程〕
次に、図４に示すように、前工程で形成したトレンチ溝５を充填するように０．５５〜０．６５μｍの厚いポリシリコン膜８を全面に形成する。その後、８５０℃で３６０分の熱処理を行い、前工程で形成した薄いポリシリコン膜６に注入したＰイオンをここで形成した厚いポリシリコン膜８に拡散させる。なお、この熱処理では、薄い酸化膜７がバリアとなり、ＰイオンがＰ型ポリシリコン領域４内に拡散することはない。
【００１８】
〔第５工程〕
次に、図５に示すように、エッチバックを行って平坦化することで、表面を覆う厚いポリシリコン膜８、マスク膜３をエッチング除去する。その結果、Ｐ型ポリシリコン領域４とＮ型ポリシリコン領域９が交互に配置した形状が形成される。しかし、この段階では、薄い酸化膜７がバリアとなり、ＰＮ接合は形成されていない。
【００１９】
〔第６工程〕
次に、図６に示すように、ダイオード形成領域以外のＰ型ポリシリコン領域４を除去した後、全表面にＮＳＧ酸化膜１０を形成し、９００℃で３０分の熱処理を行う。この熱処理により、薄い酸化膜７を貫通して、Ｎ型ポリシリコン領域９中に添加されているＰイオンがＰ型ポリシリコン領域４との接合面表面に拡散し、ＰＮ接合が形成される。
【００２０】
このように薄い酸化膜７を形成し、図４で説明したようにポリシリコン膜内（薄いポリシリコン膜６と厚いポリシリコン膜８内）に比較的低温で熱処理することにより均一に不純物イオンを拡散させた後、不純物イオンが薄い酸化膜７を貫通して拡散するような比較的高温の熱処理を行ってＰＮ接合を形成することで、拡散領域は非常に狭く、かつ均一に不純物を拡散させることが可能となる。この高温の熱処理は、ＮＳＧ酸化膜のデンシファイとＰイオンの拡散を兼ねることができ、ＮＳＧ酸化膜がキャップとして作用し、Ｐイオンが外部に拡散してしまうことも防ぐことができる。
【００２１】
〔第７工程〕
次に、図７に示すように、ダイオードの電極となるアルミニウム電極１１を形成する。
〔第８工程〕
次に、図８に示すように、表面保護膜としてポリイミド膜１２を形成し、個片化することでダイオード２０が完成する。
【００２２】
このように、本実施形態のダイオードの製造方法では、ポリシリコン膜２のトレンチ溝５の形成と、Ｎ型ポリシリコン領域９からＰ型ポリシリコン領域４へのＰイオンが横方向に拡散することでＰＮ接合を形成するため、薄い拡散領域を形成すればよく、素子の小型化が実現できる。具体的には、１組のＰＮ接合の通電方向（図８の左右方向）の長さを従来の３〜４μｍから１．９μｍ程度に縮小することができる。例えば、本実施形態のダイオードをスパークプラグの放電電圧をクランプするために用いる場合、３５，０００Ｖ耐圧が必要とすると、約６，０００段のＰＮ接合が必要となる。この場合、従来のダイオードでは、２０ｍｍ以上の大きさが必要であったのに対し、本製造方法によれば１２ｍｍ程となり、大幅に素子寸法を縮小することができる。これにより、小型化を実現することが可能となる。
【００２３】
さらに本製造方法によれば、ＰＮ接合の形成の際に、表面からの不純物の拡散を用いないため、ポリシリコンの厚さを従来の０．７５μｍから１．５μｍと２倍に厚くできる（１．５μｍ以上も可能である）。これにより、ＰＮ接合の通電方向（図８の左右方向）と幅方向の長さ（ダイオード素子の幅、すなわち図８の奥行方向）を約半分にしても十分な電流を流すことができることから、チップサイズを大幅に縮小することができることになる。
【００２４】
また、本製造方法で製造されたダイオードは、通常の半導体装置の製造工程のみで構成されるため、微細な形状を再現性良く形成できる。これにより、Ｐ型ポリシリコン領域４とＮ型ポリシリコン領域９を略同じ寸法で形成することができるので、ダイオード全体の電界を均一にすることができるという利点もある。特に高電圧が印加可能なダイオードとして好適な形状となる。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るダイオードの製造方法について説明する。
上記した第１の実施形態に係るダイオードの製造方法では、ノンドープのポリシリコン膜を形成した後、不純物イオンを注入する場合について説明したが、ドープトポリシリコン膜を用いることも可能である。なお、第２の実施形態に係るダイオードの製造方法の説明において、上記した第１の実施形態に係るダイオードの製造方法を説明するために用いた図１〜図８を援用する。
【００２６】
まず、第１の実施形態に係るダイオードの製造方法と同様に、サファイア基板１の表面全体にＢ２Ｈ６（ジボラン）等をドーピングガスとしたＬＰＣＶＤ法により、Ｐ型の不純物が添加されている厚さ１．５μｍのポリシリコン膜（ドープトポリシリコン膜）２を形成する（図１参照）。その後、Ｐ型のポリシリコン膜２の表面に、Ｎ型領域の形成予定領域を開口するマスク膜３を形成する。その後、露出するＰ型のポリシリコン膜２をエッチング除去してサファイア基板１に達するトレンチ溝５により分離されたＰ型ポリシリコン領域４を形成する（図２参照）。
【００２７】
次に、Ｐ型ポリシリコン領域４の表面に薄い酸化膜７を予め形成した後、トレンチ溝５を充填するようにＰＨ３（フォスフィン）等をドーピングガスとしたＬＰＣＶＤ法により、Ｎ型の不純物が添加されている（ドープトポリシリコン膜）ポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜は、第１の実施形態に係るダイオードの製造方法で説明した薄いポリシリコン膜６と厚いポリシリコン膜８に相当する（図４参照）。
【００２８】
以後、第１の実施形態に係るダイオードの製造方法と同様に、エッチバックを行い、平坦化することで、表面を覆うポリシリコン膜、マスク膜３をエッチング除去する（図５参照）。その結果、Ｐ型ポリシリコン領域４とＮ型ポリシリコン領域９が交互に配置した形状が形成される。しかし、この段階では薄い酸化膜７がバリアとなり、ＰＮ接合は形成されていない。
【００２９】
次に、全表面にＮＳＧ酸化膜１０を形成し、９００℃で３０分の熱処理を行う。この熱処理により、薄い酸化膜７を貫通して、Ｎ型ポリシリコン領域９中に添加されているＰイオンがＰ型ポリシリコン領域４との接合面表面に拡散し、ＰＮ接合が形成される（図６参照）。不純物イオンが薄い酸化膜７を貫通して拡散するような高温の熱処理を行ってＰＮ接合を形成することで、拡散領域は非常に狭く、かつ均一に不純物を拡散させることが可能となる。この高温の熱処理は、ＮＳＧ酸化膜のデンシファイとＰイオンの拡散を兼ねることができ、ＮＳＧ酸化膜がキャップとして作用し、Ｐイオンが外部に拡散してしまうことも防ぐことができる。
【００３０】
その後、ダイオードの電極となるアルミニウム電極１１を形成する（図７参照）。そして、最後に、表面保護膜としてポリイミド膜１２を形成し、個片化することでダイオード２１が完成する（図８参照）。
【００３１】
このように本発明は、ドープトポリシリコン膜を用いることも可能である。
なお、第１の実施形態に係るダイオードの製造方法では、全てのポリシリコン膜をノンドープトポリシリコン膜に不純物イオンを注入する場合について説明し、第２の実施形態に係るダイオードの製造方法では、全てのポリシリコン膜をドープトポリシリコン膜とした場合について説明したが、ノンドープトポリシリコン膜に不純物イオンを注入する場合とドープトポリシリコン膜を用いる場合とを組み合わせても何ら問題ない。
【００３２】
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、絶縁基板であるサファイア基板１上に形成するポリシリコン膜２をＰ型とし、トレンチ溝５の中に積層するポリシリコン膜をＮ型としたが、これらが逆であってもよい。即ち、絶縁基板であるサファイア基板１上に形成するポリシリコン膜２をＮ型とし、トレンチ溝５の中に積層するポリシリコン膜をＰ型としてもよい。また絶縁基板は、基板上に酸化膜等の絶縁膜を積層した基板であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、車両用の点火装置の定電圧素子として利用されているダイオードの製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１：サファイア基板
２：ポリシリコン膜
３：マスク膜
３ａ：窒化膜
３ｂ：酸化膜
４：Ｐ型ポリシリコン領域
５：トレンチ溝
６：薄いポリシリコン膜
７：薄い酸化膜
８：厚いポリシリコン膜
９：Ｎ型ポリシリコン領域
１０：ＮＳＧ酸化膜
１１：アルミニウム電極
１２：ポリイミド膜
２０，２１：ダイオード
【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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